Εντοπισμός θέσης στόχου με ασύρματους αισθητήρες
Στη σημερινή εποχή η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας και των προϊόντων είχαν ως αποτέλεσμα την δημιουργία νέων τεχνικών και την μελέτη και εφαρμογή νεών αλγορίθμων που θα έδιναν λύσεις σε μείζον θέματα. Ένα τέτοιο θέμα είναι ο εντοπισμός θέσης ενός αντικειμένου, το οποίο μπορεί να εφαρμοστεί σε συστ...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Μορφή: | Thesis |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2020
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/13133 |
| id |
nemertes-10889-13133 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Εντοπισμός Λόγοι ενέργειας Μέγιστη πιθανοφάνεια Ληφθείσα ενέργεια Localization Energy ratio Arduino Maximum likelihood Matlab |
| spellingShingle |
Εντοπισμός Λόγοι ενέργειας Μέγιστη πιθανοφάνεια Ληφθείσα ενέργεια Localization Energy ratio Arduino Maximum likelihood Matlab Βασίλειος, Χριστόπουλος Εντοπισμός θέσης στόχου με ασύρματους αισθητήρες |
| description |
Στη σημερινή εποχή η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας και των προϊόντων είχαν ως αποτέλεσμα την δημιουργία νέων τεχνικών και την μελέτη και εφαρμογή νεών αλγορίθμων που θα έδιναν λύσεις σε μείζον θέματα. Ένα τέτοιο θέμα είναι ο εντοπισμός θέσης ενός αντικειμένου, το οποίο μπορεί να εφαρμοστεί σε συστήματα ασφαλείας, στην παρακολούθηση ενός αντικειμένου, σε ρομποτικά συστήματα μεγάλης ακρίβειας, ακόμα και σε θεραπεία για την καταπολέμηση κάποιας ασθένειας.
Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να εντοπιστεί και να παρακολουθείται η θέση ενός αντικειμένου-στόχου με ασύρματους αισθητήρες. Αυτό θα πραγματοποιηθεί με την ανάπτυξη κάποιον αλγόριθμων εκτίμησης μέσα σε έναν προκαθορισμένο χώρο. Για τις ανάγκες της διπλωματικής εργασίας μελετήθηκαν διάφοροι αλγόριθμοι και τεχνικές εκτίμησης όπως Maximum Likelihood, AP Estimator (alternating projection), Ελάχιστα τετράγωνα, Λόγους Ενέργειας κ.α. Μερικοί από αυτούς υλοποιήθηκαν και εφαρμόστηκαν σε εικονικό(Matlab) και πραγματικό(Arduino) περιβάλλον.
Για να χρησιμοποιηθούν οι παραπάνω αλγόριθμοι, πρέπει το σύστημα, στο οποίο εφαρμόζονται, να έχει ένα μοντέλο βάση το οποίο λαμβάνει τις μετρήσεις. Οι βασικότερες τεχνικές μετρήσεων σε προβλήματα εντοπισμού θέσης είναι οι εξής: ΤΟΑ(Time Of Arrivals), TDOA(Time Difference Of Arrivals) και RSSI(Received Signal Strength Indicator). Στη διπλωματική αυτή, μελετήθηκαν όλες οι τεχνικές μετρήσεων, αλλά εφαρμόστηκε μόνο το μοντέλο RSSI, το οποίο βασίζεται στην ενέργεια που λαμβάνουν οι αισθητήρες.
Μελετήθηκαν επίσης διάφορα σενάρια με τα οποία θα μπορούσε να γίνει ο εντοπισμός της θέσης και κυρίως τα σενάρια αυτά εξαρτώνται από τη διάταξη των αισθητήρων, από το αν είναι σταθεροί στο χώρο ή κινούνται και αν οι αισθητήρες γνωρίζουν τις συντεταγμένες της θέσης τους. Επιπλέον, για τους κινούμενους αισθητήρες ήταν σημαντικός και ο τρόπος με τον οποίο κινούνται στο χώρο.
Οι αλγόριθμοι που μελετήθηκαν είχαν ένα ακόμα χαρακτηριστικό που τους διαχώριζε. Χωρίζονταν σε κεντροποιημένους(Centralized) και αποκεντροποιημέμους(Decentralized). Στη διπλωματική αυτή χρησιμοποιήθηκε κεντροποιημένος αλγόριθμος καθώς όλες οι μετρήσεις των αισθητήρων αποστέλλονταν σε ένα κεντρικό υπολογιστή, όπου γινόταν και η επεξεργασία των δεδομένων.
Η πρώτη φάση της διπλωματικής ήταν η μελέτη αλγορίθμων και τεχνικών, έτσι ώστε να σχεδιαστεί ο τρόπος υλοποίησης της διπλωματικής και να επιλεχθούν οι κατάλληλοι αλγόριθμοι. Οι αλγόριθμοι εκτίμησης που επιλέχθηκαν ήταν η Μέγιστη Πιθανοφάνεια (Maximum Likelihood) και ο Λόγος Ενεργειών (Energy Ratio), δηλαδή έναν αλγόριθμο με μεγάλη ακρίβεια, αλλά με υψηλό υπολογιστικό κόστος και έναν με μικρότερη ακρίβεια και με χαμηλότερο υπολογιστικό κόστος.
Η δεύτερη φάση της διπλωματικής ήταν η ανάπτυξη αυτών των αλγορίθμων σε περιβάλλον Matlab και η μέτρηση σφάλματος μεταξύ της πραγματικής θέσης του στόχου και της εκτιμώμενης μετά από χίλια πειράματα. Τα πειράματα εκτελέστηκαν για διάφορες τιμές θορύβου. Με αυτών τον τρόπο έγινε σύγκριση μεταξύ των δύο αλγορίθμων.
Στο τρίτο και τελικό στάδιο της διπλωματικής χρησιμοποιήθηκαν Arduino πλακέτες με αισθητήρες(μικρόφωνο), με το οποίο εκτελέστηκε πείραμα σε πραγματικό χρόνο και έγινε εντοπισμός και παρακολούθηση της θέσης του στόχου, το οποίο εμφάνιζε στην οθόνη του υπολογιστή την θέση του στόχου ανά πάσα στιγμή. Το πείραμα έγινε γνωρίζοντας τις συντεταγμένες των αισθητήρων. |
| author2 |
Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος |
| author_facet |
Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος Βασίλειος, Χριστόπουλος |
| format |
Thesis |
| author |
Βασίλειος, Χριστόπουλος |
| author_sort |
Βασίλειος, Χριστόπουλος |
| title |
Εντοπισμός θέσης στόχου με ασύρματους αισθητήρες |
| title_short |
Εντοπισμός θέσης στόχου με ασύρματους αισθητήρες |
| title_full |
Εντοπισμός θέσης στόχου με ασύρματους αισθητήρες |
| title_fullStr |
Εντοπισμός θέσης στόχου με ασύρματους αισθητήρες |
| title_full_unstemmed |
Εντοπισμός θέσης στόχου με ασύρματους αισθητήρες |
| title_sort |
εντοπισμός θέσης στόχου με ασύρματους αισθητήρες |
| publishDate |
2020 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/13133 |
| work_keys_str_mv |
AT basileioschristopoulos entopismosthesēsstochoumeasyrmatousaisthētēres AT basileioschristopoulos targetlocalizationwithwirelesssensors |
| _version_ |
1771297263886270464 |
| spelling |
nemertes-10889-131332022-09-05T14:08:57Z Εντοπισμός θέσης στόχου με ασύρματους αισθητήρες Target localization with wireless sensors Βασίλειος, Χριστόπουλος Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος Ψαράκης, Εμμανουήλ Vasileios, Christopoulos Εντοπισμός Λόγοι ενέργειας Μέγιστη πιθανοφάνεια Ληφθείσα ενέργεια Localization Energy ratio Arduino Maximum likelihood Matlab Στη σημερινή εποχή η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας και των προϊόντων είχαν ως αποτέλεσμα την δημιουργία νέων τεχνικών και την μελέτη και εφαρμογή νεών αλγορίθμων που θα έδιναν λύσεις σε μείζον θέματα. Ένα τέτοιο θέμα είναι ο εντοπισμός θέσης ενός αντικειμένου, το οποίο μπορεί να εφαρμοστεί σε συστήματα ασφαλείας, στην παρακολούθηση ενός αντικειμένου, σε ρομποτικά συστήματα μεγάλης ακρίβειας, ακόμα και σε θεραπεία για την καταπολέμηση κάποιας ασθένειας. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να εντοπιστεί και να παρακολουθείται η θέση ενός αντικειμένου-στόχου με ασύρματους αισθητήρες. Αυτό θα πραγματοποιηθεί με την ανάπτυξη κάποιον αλγόριθμων εκτίμησης μέσα σε έναν προκαθορισμένο χώρο. Για τις ανάγκες της διπλωματικής εργασίας μελετήθηκαν διάφοροι αλγόριθμοι και τεχνικές εκτίμησης όπως Maximum Likelihood, AP Estimator (alternating projection), Ελάχιστα τετράγωνα, Λόγους Ενέργειας κ.α. Μερικοί από αυτούς υλοποιήθηκαν και εφαρμόστηκαν σε εικονικό(Matlab) και πραγματικό(Arduino) περιβάλλον. Για να χρησιμοποιηθούν οι παραπάνω αλγόριθμοι, πρέπει το σύστημα, στο οποίο εφαρμόζονται, να έχει ένα μοντέλο βάση το οποίο λαμβάνει τις μετρήσεις. Οι βασικότερες τεχνικές μετρήσεων σε προβλήματα εντοπισμού θέσης είναι οι εξής: ΤΟΑ(Time Of Arrivals), TDOA(Time Difference Of Arrivals) και RSSI(Received Signal Strength Indicator). Στη διπλωματική αυτή, μελετήθηκαν όλες οι τεχνικές μετρήσεων, αλλά εφαρμόστηκε μόνο το μοντέλο RSSI, το οποίο βασίζεται στην ενέργεια που λαμβάνουν οι αισθητήρες. Μελετήθηκαν επίσης διάφορα σενάρια με τα οποία θα μπορούσε να γίνει ο εντοπισμός της θέσης και κυρίως τα σενάρια αυτά εξαρτώνται από τη διάταξη των αισθητήρων, από το αν είναι σταθεροί στο χώρο ή κινούνται και αν οι αισθητήρες γνωρίζουν τις συντεταγμένες της θέσης τους. Επιπλέον, για τους κινούμενους αισθητήρες ήταν σημαντικός και ο τρόπος με τον οποίο κινούνται στο χώρο. Οι αλγόριθμοι που μελετήθηκαν είχαν ένα ακόμα χαρακτηριστικό που τους διαχώριζε. Χωρίζονταν σε κεντροποιημένους(Centralized) και αποκεντροποιημέμους(Decentralized). Στη διπλωματική αυτή χρησιμοποιήθηκε κεντροποιημένος αλγόριθμος καθώς όλες οι μετρήσεις των αισθητήρων αποστέλλονταν σε ένα κεντρικό υπολογιστή, όπου γινόταν και η επεξεργασία των δεδομένων. Η πρώτη φάση της διπλωματικής ήταν η μελέτη αλγορίθμων και τεχνικών, έτσι ώστε να σχεδιαστεί ο τρόπος υλοποίησης της διπλωματικής και να επιλεχθούν οι κατάλληλοι αλγόριθμοι. Οι αλγόριθμοι εκτίμησης που επιλέχθηκαν ήταν η Μέγιστη Πιθανοφάνεια (Maximum Likelihood) και ο Λόγος Ενεργειών (Energy Ratio), δηλαδή έναν αλγόριθμο με μεγάλη ακρίβεια, αλλά με υψηλό υπολογιστικό κόστος και έναν με μικρότερη ακρίβεια και με χαμηλότερο υπολογιστικό κόστος. Η δεύτερη φάση της διπλωματικής ήταν η ανάπτυξη αυτών των αλγορίθμων σε περιβάλλον Matlab και η μέτρηση σφάλματος μεταξύ της πραγματικής θέσης του στόχου και της εκτιμώμενης μετά από χίλια πειράματα. Τα πειράματα εκτελέστηκαν για διάφορες τιμές θορύβου. Με αυτών τον τρόπο έγινε σύγκριση μεταξύ των δύο αλγορίθμων. Στο τρίτο και τελικό στάδιο της διπλωματικής χρησιμοποιήθηκαν Arduino πλακέτες με αισθητήρες(μικρόφωνο), με το οποίο εκτελέστηκε πείραμα σε πραγματικό χρόνο και έγινε εντοπισμός και παρακολούθηση της θέσης του στόχου, το οποίο εμφάνιζε στην οθόνη του υπολογιστή την θέση του στόχου ανά πάσα στιγμή. Το πείραμα έγινε γνωρίζοντας τις συντεταγμένες των αισθητήρων. In today's age, the rapid evolution of technology and products has resulted in the creation of new techniques and the study and application of new algorithms that would provide solutions to major issues. One such issue is the positioning of an object, which can be applied to security systems, to an object tracking, to high-precision robotic systems, even to treatment to combat a disease. The purpose of this thesis is to identify and monitor the position of a target object with wireless sensors. This will be done by developing some estimation algorithms within a predefined space. Various algorithms and estimation techniques such as Maximum Likelihood, AP Estimator (Alternating Projection), Minimum Squares, Energy Ratios etc. were studied for the needs of the thesis. Some of them have been implemented and implemented in virtual (Matlab) and real (Arduino) environments. In order to use the above algorithms, the system to which they are applied must have a base model that receives the measurements. The most basic measurement techniques for positioning problems are the following: Time Of Arrivals, TDOA (Time Difference Of Arrivals) and RSSI (Received Signal Strength Indicator). In this thesis, all measurement techniques were studied, but only the RSSI model was applied, which is based on the energy received by the sensors. Various scenarios were also studied which could be used to locate the position and mainly these scenarios depend on the positioning of the sensors, whether they are stationary or moving and whether the sensors know their position coordinates. In addition, the way in which they move around the space was important for moving sensors. The algorithms studied had another feature that distinguished them. They were divided into Centralized and Decentralized. In this thesis a centralized algorithm was used as all sensor measurements were sent to a central computer, where the data was also processed. The first phase of the thesis was the study of algorithms and techniques, in order to design the way of accomplishing the thesis and to select the appropriate algorithms. The estimation algorithms selected were Maximum Likelihood and Energy Ratio, that is, a high-precision but high-computation algorithm and one with less precision and lower computational cost. The second phase of the thesis was the development of these algorithms in a Matlab environment and the measurement of the error between the actual position of the target and the estimated one for two hundred active experiments. Experiments were performed for different noise values. In this way, the two algorithms were compared. In the third and final stage of the thesis, Arduino sensor boards (microphones) were used, which carried out a real-time experiment and detected and monitored the position of the target, which displayed the target position at the computer screen at all times. The experiment was done by knowing the coordinates of the sensors. 2020-02-06T21:19:44Z 2020-02-06T21:19:44Z 2019-10 Thesis http://hdl.handle.net/10889/13133 gr 0 application/pdf |
