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dc.contributor.advisor Son, Sang Hyuk -
dc.contributor.author Yoon, Jong Wan -
dc.date.accessioned 2017-05-10T08:52:35Z -
dc.date.available 2016-08-18T00:00:00Z -
dc.date.issued 2016 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002295696 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/1452 -
dc.description.abstract In indoor localization, it is crucial to guarantee a high level of accuracy for various location-based services.
An ultrasonic technique is one of the best candidates to meet this need because it is capable of performing precise distance measurements as well as enabling non-intrusive localization that requires no receiver to be carried.
Nevertheless, its applicability is severely limited by the fact that ultrasonic waves are likely to collide with one another if a multiple access scheme is not equipped, as is usually the case for low-cost ultrasonic sensors.
Also, environmental changes such as addition/removal of obstacles or dislocation of sensors themselves may further degrade the localization performance.
In addition, the target tracking relies on sensors with known locations to estimate and keep track of the path taken by the target, and hence, it is crucial to have an accurate map of such sensors.
However, the need for manually entering their locations after deployment and expecting them to remain fixed, significantly limits the usability of target tracking.
So, precise location estimation of deployed sensors is essential, but many disturbances such as obstacles in indoors need to consider when determine the sensor location.
In order to overcome aforementioned limitations of the ultrasonic distance measurement sensors, we introduce a genetic approach-based self-configurable, device-free, and low-cost ultrasonic sensor grouping technique for indoor localization that precisely quantifies the degree of collisions by using kernel distance and forms an optimal number of sensing groups to maximize the spatial reuse as well as to detect environmental changes in real time.
After that, we present a self-configuring and device-free localization protocol based on genetic algorithms that autonomously identifies the geographic topology of a network of ultrasonic range sensors as well as automatically detects any change in the established network structure in less than a minute and generates a new map within seconds.
And then, we suggest a cost-effective, scalable, asynchronous solution to estimate inter-sensor distances based solely on measurements of distances to a moving object is proposed which can estimates uncharted distances using trigonometry and processes these estimated distances with a distributed weighted multi-dimensional scaling algorithm for more precise localization of sensors.
To verify the performance of proposed techniques, we conduct comprehensive experiments on the real testbed to demonstrate that our techniques achieve a high level of accuracy using off-the-shelf ultrasonic sensors. ⓒ 2016 DGIST
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dc.description.tableofcontents 1 Introduction 1--
1.1 Background and Challenging Issues 1--
1.2 Solution Approaches 3--
1.3 Thesis Organization 6--
2 Maximizing Localization Accuracy via Self-confi gurable Ultrasonic Sensor Grouping Using Genetic Approach 7--
2.1 Introduction 7--
2.2 Related Work 9--
2.3 Problem Formulation 10--
2.4 Quanti fication of Collision Relation 12--
2.5 Ultrasonic Sensor Grouping 15--
2.5.1 GA-based Grouping Algorithm 15--
2.5.2 Detection of Environmental Changes 19--
2.5.3 Choice of the Number of Groups 20--
2.6 Simulation Results 21--
2.6.1 E ffects of Moving Speeds and Sensing Intervals 21--
2.6.2 E ffects of Deployment Density 22--
2.7 Experiment Results 24--
2.7.1 Verifi cation of Kernel Distance Metric 25--
2.7.2 Comparison with Simulation Results 25--
2.7.3 Comparison with Other Techniques 27--
2.7.4 Detection of Environmental Changes 29--
2.8 Conclusion 30--
3 Self-con figuring Indoor Localization Based on Low-cost Ultrasonic Range Sensors 32--
3.1 Introduction 32--
3.2 Related Work 34--
3.3 Sensor Hardware and Related Challenges 35--
3.3.1 Sensor Hardware 35--
3.3.2 Formation of Input Database 35--
3.4 Self-Con figuring Localization for Landmarks 37--
3.5 Target Tracking and Displacement Handling 43--
3.6 Evaluation 45--
3.7 Conclusion 50--
4 Cost-eff ective, Asynchronous Inter-sensor Distance Estimation Using Trigonometry 51--
4.1 Introduction 51--
4.2 Trigonometry-based Inter-sensor Distance Estimation 54--
4.3 IoT Device Localization 57--
4.3.1 Self-localization through dwMDS 57--
4.3.2 Error correction after localization 58--
4.4 Simulation Results 59--
4.4.1 Eff ects of Deployment Density 60--
4.4.2 E ffects of Moving Speeds and Sensing Intervals 60--
4.5 Experimental Results 64--
4.6 Related Work 65--
4.7 Conclusion 66--
5 Conclusion and Future Work 68--
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dc.format.extent 74 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.subject Indoor localization -
dc.subject Self-configuration -
dc.subject Inter-sensor distance estimation -
dc.subject Non-intrusive distance measurement -
dc.subject Sensor grouping -
dc.subject 실내추위 -
dc.subject 자율 구성 -
dc.subject 센서간 거리 추정 -
dc.subject 비간선 거리측정 -
dc.subject 센서 그룹화 -
dc.title Self-configurable Indoor Localization Using Non-intrusive Distance Measurements -
dc.title.alternative 비간섭 거리 측정을 이용한 자율 구성 가능한 실내 측위 기법 -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/thesis.2295696 -
dc.description.alternativeAbstract 실내 측위 분야에서, 다양한 어플리캐이션을 위한 높은 수준의 측위 정확도 보장은 매우 중요하다. 초음파 측위 기술은 이러한 요구 사항에 적합한 후보 기술 중 하나인데, 이는 목표가 특정 수신 장치를 가지지 않더라도 반사파를 이용해 높은 수준의 거리 측정 정확도를 보장 하기 때문이다. 하지만, 이러한 초음파 거리 측정 기술의 유용성은 별도의 다중 접속 기술이 적용되지 않으면 초음파 신호간 충돌로 인해 심각하게 저하된다. 그렇지만, 일반적인 저가의 초음파 센서들은 별도의 다중 접속 기술이 탑재되지 않으므로, 이는 초음파를 이용한 거리 측정이 실용화 되는데 걸림돌이 된다. 특히, 실내에 배치될 경우, 다양한 실내 구조에 의한 다중 경로 페이딩나 초음파가 반사되는 매질 표면의 형태 및 재질 등이 주된 오차 발생원이 된다. 또한, 실내에 배치된 초음파 센서의 위치를 알아야 정확한 목표 측위가 가능하지만, 이러한 작업을 수동적으로 직접 입력할 경우, 많은 시간 및 배치 비용이 발생한다. 게다가, 이렇게 센서의 위치를 직접 입력할 경우, 센서의 위치 변경 등이 일어날 때, 이에 대한 변경점을 시스템에 직접 입력해야 하므로, 시스템의 유지 보수에 어려움이 발생하며 목표 위치 추정에 오차를 발생시키게 된다. 이러한 센서 간의 위치를 자동으로 알기위해 센서 간의 거리를 기반으로한 측위 기술을 통해 각 센서들의 상대 위치를 추정하여 배치된 공간에서 센서 들의 토폴로지를 찾을 수 있지만, 단순히 반사파를 이용해 거리만 측정하는 저가의 초음파 센서는 상호간 거리측정을 위한 기능이 없는 경우가 많으며, 센서간 line-of-site 가 장애물이나 실내 구조에 의해 단절 될 경우 역시 쉽게 발생한다.
따라서 본 학위 논문에서는 상술한 초음파 센서의 단점들을 극복하고, 장점들을 최대화하여 실제환경 에서 동작할 수 있는 비간섭 거리 측정을 이용한 자율 구성 가능한 실내 측위 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 커널 거리를 이용해 초음파 센서 간의 충돌관계를 정량화하여 서로 충돌관계가 적은 초음파 센서를 그룹화하는 기법과 목표와 센서 간의 거리 측정 만으로 센서간의 상호 거리를 추정하는 기법으로 구성된다. 센서의 그룹화를 통해 동시에 동작할 수 있는 센서의 수를 최대화하여 목표 영역에서 목표를 추적할 때 발생할 수 있는 음영 지역을 최소화하고 센서 간의 센싱 간격을 최소화하여 목표에 대한 거리 측정의 효율을 높인다. 이러한 정량화된 초음파 센서 간의 충돌관계는 실내 환경의 변화를 감지하기 위한 근거로 활용된다. 또한, 센서 상호 간 거리 측정 기능이 없는 거리 측정 센서를 이용해, 목표와 센서 간의 거리 측정만으로 각 센서간의 거리를 추정하고, 이를 기반으로 센서 간의 상대 위치를 계산하여, 사용자가 배치된 센서들에 대한 거리 입력 없이 센서들의 초기 위치를 측정하는 기법을 통해 센서 배치에 대한 비용을 최소화한다.
본 학위 논문에서 제안된 기술을 통해 저가의 초음파 기반 거리 측정 센서가 가지는 단점들을 극복한다. 이러한 성능의 정량적 측정을 위해, 다양한 시나리오에서 실제 초음파 모델링을 적용한 matlab 기반의 시뮬 레이션을 수행하고, 실제 실험 환경 시나리오에서 구현을 통해 제안된 기법이 실제 구현될 수 있을 뿐아니라, 다양한 상황에서도 높은 수준의 측위 정확도를 보장할 수 있음을 제시한다. ⓒ 2016 DGIST
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dc.description.degree Doctor -
dc.contributor.department Information and Communication Engineering -
dc.contributor.coadvisor Le, Jong Hun -
dc.date.awarded 2016. 8 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.date.accepted 2016-08-18 -
dc.contributor.alternativeDepartment 대학원 정보통신융합공학전공 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Yoon, Jong Wan -
dc.contributor.affiliatedAuthor Son, Sang Hyuk -
dc.contributor.affiliatedAuthor Le, Jong Hun -
dc.contributor.alternativeName 윤종완 -
dc.contributor.alternativeName 손상혁 -
dc.contributor.alternativeName 이종훈 -

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