Localizzazione e tracking
a tempo minimo mediante
rete di sensori wireless WSN
Sartore Filippo
566717-IAM
[email protected]
Sassaro Alex
567095-IAM
[email protected]
Vettori Davide
566721-IAM
[email protected]
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Introduzione
 Localizzazione attraverso rete di sensori wireless (WSN)
Marcassa A., Maran F., Macon R., Zanella F., Localizzazione
e tracking distribuito tramite rete di sensori wireless (WSN), 2007
 Tracking per un veicolo (monociclo) mobile su gomma
Agnoli A, Controllo di veicoli anolonomi su ruota, 2007
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
1/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Introduzione
 Identificazione della posizione del veicolo sul piano
 Filtraggio della posizione acquisita tramite rete wireless
e tracking ottimo di traiettorie punto punto
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
2/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Obiettivi Localizzazione
 Architettura del sistema
 Studio e problematiche del software di localizzazione
 Software per il controllo dei veicoli mobili e-puck
 Identificazione del canale di trasmissione e
adattamento del software di localizzazione
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
3/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Obiettivi Filtraggio e Tracking
 Filtro di Kalman Esteso (EKF)
 Software tracking ottimo
 Fusione EKF + tracking ottimo
 Risultati simulativi ottenuti
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
4/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Architettura del sistema
 Piattaforma di dimensioni 3.20 x 2.40 m
 64 sensori wireless TmoteSky
 NesC nodi àncora
 Uniciclo e-puck
 Interfaccia E-Puck Matlab
 Un sensore mobile
 NesC nodo mobile
 PC utente
 XubunTos 2.0.1
 Teseo
 EKF + tracking ottimo
 Un sensore collegato al PC
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
5/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Architettura del sistema
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
6/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Script per l’installazione della rete
 Facilita l’installazione della rete di sensori
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
7/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Architettura del sistema
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
8/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Principio di funzionamento
START
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
9/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Principio di funzionamento
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
10/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Interfaccia e-puck Matlab
 Bluetooth
 Codice BTcom_default.hex
 Funzioni Matlab fornite dell’e-pic
 write(epic, ’D, left, right’)
 write(epic, ’R’)
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
11/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Sommario
 Metodo che utilizza l’algoritmo per la localizzazione
 Prove effettuate per la taratura dei parametri
 Prove sperimentali e risultati ottenuti
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
12/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Algoritmo di localizzazione
 utilizzo dell’informazione dell’RSSI
Problematiche
 Presenza di molteplici fenomeni di disturbo non modellizzabili
riflessione e rifrazione
scattering
Diffrazione e interferenza
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
13/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Modello del canale trasmissivo in [dBm]
 Propagazione delle onde radio
d 
Pr (d )  P0 (d 0 )  10  n p log 10    
 d0 
•
•
: potenza ricevuta ad una distanza
: potenza di riferimento ad una data distanza
•
: fattore di decrescenza
•
: variabile aleatoria log-normale
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
14/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Distanza ricavata dalla misura della potenza
ricevuta:
 Stima di M.V. della distanza
•
: numero di pacchetti utilizzati per calcolare la
media pesata
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
15/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Posizione determinata dalle misure della distanza ricevute
 Trilaterazione
d2
d1
d3
 Stima di M.V. della posizione
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
16/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Prove iniziali tra 2 soli Tmote
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
17/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Prove direttamente sul campo
 Posizioni delle misurazioni
7
4
10
8
12
2
5
11
9
3
13
6
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
1
18/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Prove direttamente sul campo
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
19/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Identificazione dei parametri del modello
stima
Stimatore ai Minimi Quadrati
varianza stimatore
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
20/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Identificazione dei parametri del modello
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
21/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Creazione della cella
 LQI bound: sempre superiore a 105.
 RSS bound: per via sperimentale
Nan – Not a number
compromesso
per presenza di
valori della stima non corretti
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
22/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Prove sperimentali
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
23/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Prove sperimentali
 e-puck fermo
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
24/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Prove sperimentali
 differenti traiettorie
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
25/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Prove sperimentali
 differenti velocità
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
26/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Conclusioni e risultati sulla localizzazione
di un veicolo mobile
 stima della posizione corretta e stabile (σ ~ 0.1 [m])
Condizioni
 velocità non superiore a 500 passi/secondo
 effettuare traiettorie rettilinee
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
27/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Tracking ottimo punto-punto
per il sistema e-puck
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
28/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Controllo dell’e-puck
Informazione di posizione rumorosa:
 Software di motion planning funzionante sulla base conoscenza
precisa della posizione
 Problema dell’orientazione dell’e_puck
 Filtraggio delle misure provenienti dal campo
 Integrazione del motion planning con EKF
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
29/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Filtro di Kalman Esteso
 Controllo di un sistema fortemente non lineare
 Filtraggio non lineare tempo variante
 Modello matematico del sistema da controllare
 Modello di partenza
 Modello discreto
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
30/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Modello continuo dell’e-puck:
 x  v cos   N x
 y  vsen  N
y

     N

 x  Wx 
 y

y

W

y

Vettore di stato:
 x
q   y 
 
Vettore degli ingressi:
v
u 
 
N  N (0, Q)
Rumore di modello
W  N (0, R)
Rumore di misura
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
31/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Costruzione di un controllore discreto esatto
 Modello discreto del sistema fisico
 Integrazione diretta delle equazioni nel continuo
 Discretizzazione di Runge Kutta del 2° ordine

 (k )Ts 

x
(
k

1
)

x
(
k
)

v
(
k
)
T
cos

(
k
)

 Nx
s



2 



 (k )Ts 


y
(
k

1
)

y
(
k
)

v
(
k
)
T
sen

(
k
)

 Ny

s


2 



 (k  1)   (k )   (k )Ts  N



Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
32/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Problematiche:
 Impossibile a livello pratico:
 Protocollo di comunicazione unidirezionale
 Funzionamento in catena aperta
 Problematiche legate alla perdita di pacchetti di informazione:
 Informazioni verso il campo: ingressi dei motori
 Informazioni dal campo: posizioni rilevate dalla rete WSN
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
33/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Extended Kalman Filter: EKF
 Ripulire le informazioni provenienti dal campo
 Sistema fortemente non lineare
 Filtro fortemente non lineare, tempo variante, con ingressi
 Linearizzazione delle equazioni della dinamica attorno alla
miglior stima del vettore di stato disponibile

 ˆ  k Ts 
1
0

v
T
sen
 k 

k s

2



 f k

T 

Ak  
( xˆk )  0 1 vk Ts cosˆ k k s  
2 

 xk



0 0

1


Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
34/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Extended Kalman Filter: Risultati
 Test del filtro su diverse tipologie di traiettoria
 Traiettorie utilizzate nella pianificazione ottima
 Tratti rettilinei
 Curve a raggio minimo
 Ipotesi di traiettorie alternative
 Ipotesi di diminuzione del tempo di interarrivo delle misure
 Curve a raggio non minimo
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
35/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Tratto rettilineo
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
36/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Curve a raggio minimo e tratti rettilinei
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
37/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Sequenza di curve a raggio minimo
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
38/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Cerchio di raggio non minimo
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
39/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Traiettoria a otto di raggio non minimo
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
40/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Particolare di curva a raggio minimo con variazione
del tempo di interarrivo misure
T acq 1.3 sec
Tacq  0.4 sec
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
41/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Pianificazione ottima di traiettoria punto punto
 Raggio di curvatura inferiormente limitato
 Senso di marcia preferenziale
 Quantizzazione del controllo
 Insieme finito di traiettorie possibili
 Minore carico computazionale
 Traiettorie in assetto: I, S, L, R
 Concatenazione di primitive di movimento (6 casi possibili)
 Scelta del caso migliore in base al tempo minimo di percorrenza
 Rilassamento della precisione dell’obiettivo
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
42/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Simulazione di tratto breve con esito positivo
Senza filtraggio
Con EKF
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
43/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Simulazione di tratto lungo con esito positivo
Senza filtraggio
Con EKF
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
44/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Simulazione di tratto corto con esito negativo
Senza filtraggio
Con EKF
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
45/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Simulazione di tratto lungo con esito negativo
Senza filtraggio
Con EKF
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
46/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Conclusioni
 Risultati ottenuti non soddisfacenti:
 Velocità massima di movimento
 Raggio di curvatura inferiormente limitato
 Senso di marcia preferenziale
 Tempi di interarrivo delle misure elevati
 Elevata incertezza nelle misure
Sono parametri troppo stringenti
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
47/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Sviluppi futuri
 Migliorare software localizzazione:
 Diminuzione del tempo di interarrivi misure dal campo
 Rendere bidirezionale il software di localizzazione:
 Possibilità di utilizzo dei sensori di bordo
 Possibilità di lettura degli encoder
 Miglioramento dell’EKF:
 Perdita di pacchetti
 Ritardi aleatori
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
48/49
Sartore Filippo
Sassaro Alex
Vettori Davide
Grazie per l’attenzione
Corso Di Progettazione Di Sistemi Di Controllo a.a. 2007/08
49/49