Ultra geniş bant temelli (UWB) kapalı alan konumlama sistemi tasarımı ve uygulaması

Konumlama sistemleri hayatlarımızda uzun zamandır bulunan ve yaygın olarak kullanılan teknolojilerden biridir. Birçok uygulamada konum bulma konusunda bu teknolojiden faydalanmaktayız. Bunların en yaygınlarından biri navigasyon sistemleridir. Navigasyon sistemleri uydular yardımcılığıyla bize bulunduğumuz konumu 3-5m yanılma payıyla veren konumlama sistemleridir. Günümüzde, teknolojinin gelişmesiyle artık konumlama sistemlerine daha dar alanlarda ihtiyaç duymaya başlandı. Özellikle daha dar alanlarda çalışan robotların konumlarını bulma ve takip etme uygulamaları son zamanların en popüler uygulamaları olarak yerini aldı. Ama mevcut konumlama sistemlerinin hata payları ve uydu sinyallerinin kapalı ortamlara geçerken yaşadığı saçılmalardan dolayı ortaya çıkan düşük kesinlik oranları bu sistemlerle dar alanda konumlama yapmayı zorlaştırdı. Bu nedenle bu sorunu ortadan kaldırmak için kapalı alan konumlandırma sistemleri ortaya çıktı. Kapalı alan konumlandırma sistemleri, daha sınırlı alanlarda yüksek kesinlik oranlarına sahip olan konumlama sistemleridir. Sistem hedef ve sabit çapa modüllerinden oluşmaktadır. Kesinlik oranı 3-5 cm civarında olabilir. Bu tez çalışmasında piyasadaki modüllerle yüksek kesinlik oranına sahip özgün bir konumlama sistemi tasarlanması ve uygulamaları hedeflenmiştir. Buradan yola çıkarak ilk olarak kapalı alan konumlandırma sistemlerinde kullanılan teknolojiler incelenmiştir. Bu teknolojilerden en yaygın olarak kullanılan dört tanesi olan RFID, UWB, WLAN ve Bluetooth teknolojileri fiyat, kapsama alanı ve kesinlik ölçülerine göre sınıflandırılmış ve aralarından proje için en uygun olanının UWB teknolojisi olduğu görülmüştür. Projede kullanılacak olan teknoloji UWB olarak seçildikten sonra UWB teknolojisinin konumlamada kullanılan altyapısı hakkında incelemeler yapılmıştır. Bunlardan ilki ölçüm teknikleridir. Ölçüm teknikleri hedef ve çapa arasındaki mesafenin bulunmasına yardım eder. Ölçüm tekniklerinin birçok farklı metodu vardır. Bunlar sinyal gücü, gelme açısı(AOA) ve zaman ölçümlerine dayanan gelme süresi(TOA) ve gelme süresi farkı(TDOA) metotlarıdır. Bu metotlardan TDOA seçilmiş ve çalışma bu metotla yapılmıştır. Daha sonraki adımda konum tahmin metotları incelenmiştir. Konum tahmin metodu, bir kartezyen koordinat sistemi üzerinde hedefin konumunu matematiksel olarak hesaplayarak tahmini olarak verir. Bunun için gerekli olanlar, hedef uzaklığı ve çapa konumlarının bilinmesidir. Çalışmada en bilinen metotlardan biri olan üçgenleme metodu kullanılmıştır. Bu çalışmada Norrdine Abdelmoumen'in çalışmasından faydalanılmıştır. Bu metodu geliştirmek için sisteme filtreleme sistemi eklenmiştir. Filtre olarak medyan filtre kullanılmıştır. Bu filtreyle gelen uzaklık datalarındaki parazitler minimize edilerek konumlardaki sapmanın azaltılması hedeflenmiştir. Konumlama sisteminde kullanılacak teknoloji, konumlama metotları ve filtreler belirlendikten sonra, prototip devre için çalışılmıştır. Basit olarak bir konumlama sistemi için gerekli olan modüller belirlendikten sonra sistem geliştirilmiştir. İşlemci olarak prototiplemeye en uygun olduğu düşünülen Arduino Pro Mini 3V3 modeli seçilmiştir. Ayrıca server ile aradaki bağlantıyı sağlamak için ESP8266 modülden faydalanılmıştır. Kullanılacak UWB modül için piyasadaki modüller incelenmiştir. Time domain technology, Ubisense ve Decawave firmalarının modülleri incelendiğinde en uygun olanının Decawave firmasının DWM1000 modülü olduğuna karar verilmiş ve temin edilerek prototip üzerinde kullanılmıştır. Prototip için çapa ve hedef devresi olmak üzere iki farklı devre tasarımı üzerinde durulmuştur. Sadece çapa devrelerinin server ile haberleşmesi kararlaştırıldığı için ESP8266 modülü sadece bu devre üzerinde kullanılmıştır. Bu bize hedefin enerji harcaması konusunda fayda sağlamıştır. Gerekli testler sonunda devrelerin şematik dosyaları tamamlanarak PCB devreleri çizilmiş ve üretimi yaptırılmıştır. Üretimden gelen devreler lehimlenerek çalışma için hazır hale getirilmiştir. Donanım kısmı tamamlandıktan sonra sistemin yazılım kısmı tasarlanmıştır. Bu bölümde donanım ve server yazılımları olmak üzere iki farklı çalışma yapılmıştır. Donanım kısmında hedef ve çapa devre yazılımları ayrı ayrı tasarlanmıştır. Server kısmında ise öncelikle haberleşme protokolleri olan udp ve tcp karşılaştırılması yapılıp neden udp protokolü tercih edildiği anlatılmıştır. Daha sonrasında Python programlama dili kullanılarak server tasarlanmış ve testleri yapılmıştır. Server kısmında gelen dataların işlenmesi için MATLAB yazılım dili kullanabilmek amacıyla Python üzerine MATLAB motoru entegre edilmiş ve test edilmiştir. Yazılım ve donanımların tamamlanmasından sonra sistemin testleri gerçekleştirilmiştir. İlk testlerde kullanılan modülün kesinlik oranları gözlemlenmesi amaçlanmıştır. İlk olarak sistemde hedef ve çapa devrelerinin sabit olduğu durumdaki uzaklık dataları gözlemlenmiştir. Bunun için hedef ve çapa devreleri belli mesafelere yerleştirilip belli süreyle ölçümlenmiş ve dataları kaydedilmiştir. Yapılan ölçümlerde sapma miktarı gözlemlenmiştir. Daha sonra aynı işlem çapa devresinin sabit, hedef devresinin çapa devresinin belli mesafede uzaklaştırılıp yakınlaştırılmasıyla tekrarlanmıştır. Son testte ise hedef ve çapa devreleri sabit tutularak aralarına giren bir nesnenin neden olduğu sapmalar incelenmiştir. Bu hareketlerin neden olduğu sapmaların etkilerini azaltmak için medyan filtre uygulanarak sonuç iyileştirilmiştir. İkinci testlerde üç adet çapa devresi ve bir adet hedef devresiyle tam bir konumlama sistemi gerçekleştirilip, konumlama metotları test edilmiştir. Sistem test ortamına kurulduktan sonra ilk olarak hedef rastgele olarak alanda yürümüş ve datalar kaydedilmiştir. İkinci testte ise hedef belli bir rotada yürütülüp gözlemlenmiştir. Daha sonraki testlerde ise üç adet farklı büyüklerdeki nesneler kullanılarak sistemin kesinlik oranı gözlemlenmiştir. Hedef devresi bu nesnelerin sınırları üzerinde gezdirilerek nesnelerin sınırları çıkartılarak gerçek değerleriyle karşılaştırılmış ve hata payları hesaplanmıştır. Bu testlere ek olarak çapa devrelerinin hedefe olan uzaklıklarının kesinlik oranı üzerindeki etkisinin görmek için bir test yapılmıştır ama sonuçta tatmin edici bir sonuç elde edilemediği için bu etki göz ardı edilmiştir. Son olarak sistemin iki farklı ortamda uygulamaları gerçekleştirilmiştir. İlk uygulama test ortamında gerçekleştirilirken ikinci üniversitede bulunan laboratuvar içinde gerçekleştirilmiştir. Amaç hedefin ortam içerisinde hareketlerini takip ederek hareketin analizini yapmak ve hedefin alanda ne kadar süre geçirdiği bu süre içerisinde nerelerde yoğunlaştığı bilgilerine ulaşmak olmuştur. Ayrıca laboratuvar ortamında yapılan testlerde ortamın haritasını çıkarabilmek adına ek olarak bir uygulama daha yapılmış ve başarılı olunmuştur.