Hoofdstuk 6 · Hoofdstuk 6: Vergelijkende meetopstellingen en meetresultaten - 72 - Figuur 6.2 -...

HHooooffddssttuukk 66

VVEERRGGEELLIIJJKKEENNDDEE MMEEEETTOOPPSSTTEELLLLIINNGGEENN EENN

MMEEEETTRREESSUULLTTAATTEENN

6.1 INLEIDING.............................................................................................................................. - 67 -

6.2 MEETOMGEVINGEN ........................................................................................................... - 68 -

6.3 UITTESTEN NANOLOC DK................................................................................................. - 69 -

6.3.1 TOA METINGEN NIET-NORMAAL VERDEELD .......................................................................... - 70 - 6.3.2 INVLOED VAN DE AANWEZIGHEID VAN PERSONEN ................................................................. - 72 - 6.3.3 REFLECTIEGEVOELIGHEID ...................................................................................................... - 76 - 6.3.4 NON LINE-OF-SIGHT (NLOS) ................................................................................................ - 78 -

6.4 VERGELIJKING NANOLOC MET EIGEN PLAATS-BEPALINGSSYSTEEM............ - 80 -

6.4.1 VERBAND TUSSEN WERKELIJKE AFSTAND EN GEMETEN AFSTAND.......................................... - 81 - 6.4.2 IMPLEMENTATIE GEMETEN RECHTE........................................................................................ - 85 - 6.4.3 BATTERIJGEVOELIGHEID VAN HET SYSTEEM .......................................................................... - 87 -

Figuur 6.1 - QQ-plot voor meting in sporthal bij 5,5m afstand tussen blinde en referentienode ................................................................................................................- 71 - Figuur 6.2 - QQ-plot voor meting in anechoïsche kamer bij 4 m afstand tussen blinde en referentienode ................................................................................................................- 72 - Figuur 6.3 - NLOS-component i.p.v. LOS-component ..................................................- 73 - Figuur 6.4 - Opstelling meting in lege laboruimte ...........................................................- 73 - Figuur 6.5 - Resultaten van de metingen in lege laboruimte voor AP1 ............................- 74 - Figuur 6.6 - Resultaten van de metingen in lege laboruimte voor AP2 ............................- 74 - Figuur 6.7 - Opstelling meting in ‘volle’ laboruimte ........................................................- 75 - Figuur 6.8 - Resultaten van de metingen in volle laboruimte voor AP1 ..........................- 75 - Figuur 6.9 - Resultaten van de metingen in volle laboruitme voor AP2 ..........................- 76 - Figuur 6.10 - Voorbeeld ter illustratie fout in tijdsmeting ten gevolge van reflectie .........- 77 - Figuur 6.11 - Geïntroduceerde fout in tijdsmeting (tm) t.g.v. bijkomende reflectie .........- 78 - Figuur 6.12 - Schets NLOS meetopstelling.....................................................................- 79 - Figuur 6.13 - Schets van de 2de NLOS meetopstelling ...................................................- 80 - Figuur 6.14 - Opmeten verband werkelijk afstand t.o.v. gemeten afstand in de sportzaal- 81 - Figuur 6.15 - Verband tussen werkelijke en gemeten afstand voor AP1 - Sporthal .........- 82 - Figuur 6.16 - Verband tussen de werkelijke en gemeten afstand voor AP2 - Sporthal .....- 82 -

Hoofdstuk 6: Vergelijkende meetopstellingen en meetresultaten

Figuur 6.17 - Theoretisch verband tussen gemeten en werkelijke afstand .......................- 84 - Figuur 6.18 - Opmeten verband werkelijk afstand t.o.v. gemeten afstand in de anechoïsche kamer .............................................................................................................................- 84 - Figuur 6.19 - Verband tussen gemeten en werkelijke afstand voor AP1 – Anechoïsche kamer.......................................................................................................................................- 85 - Figuur 6.20 - Opstelling meting lege batterij t.o.v. volle batterij ......................................- 88 -

Tabel 6.1 - Meting sportzaal ter bepaling niet-normale verdeling ....................................- 70 - Tabel 6.2 - Meting anechoïsche kamer ter bepaling niet-normale verdeling.....................- 71 - Tabel 6.3 - Meetresultaten binnen lege laboruimte..........................................................- 73 - Tabel 6.4 - Meetresultaten binnen ‘volle’ laboruimte ......................................................- 75 - Tabel 6.5 - Meetresultaten reflectiegevoeligheid..............................................................- 78 - Tabel 6.6 - Verwerkte resultaten van de Non Line-Of-Sight meting ...............................- 79 - Tabel 6.7 - Verwerkte resultaten van de NLOS meting 2................................................- 80 - Tabel 6.8 - Metingen nanoLOC demoapplicatie in sportzaal ..........................................- 86 - Tabel 6.9 - Metingen eigen applicatie (met geïntegreerde rechte) in sportzaal .................- 86 - Tabel 6.10 - Metingen eigen plaatsbepalingssysteem in laboruimte .................................- 87 - Tabel 6.11 - Metingen eigen plaatsbepalingssysteem op grasveld ....................................- 87 - Tabel 6.12 - Verwerkte resultaten lege t.o.v. volle batterijen ...........................................- 88 -

HHooooffddssttuukk 66

VVEERRGGEELLIIJJKKEENNDDEE MMEEEETTOOPPSSTTEELLLLIINNGGEENN EENN

MMEEEETTRREESSUULLTTAATTEENN

6.1 Inleiding

In dit hoofdstuk worden stapsgewijs alle metingen besproken die in het kader van dit

eindwerk verricht werden. Het is de bedoeling om via deze weg een verantwoording te

gegeven waarom verschillende metingen uitgevoerd werden, op welke manier deze aangepakt

werden, …

Via goedgedefinieerde meetopstellingen moet het mogelijk zijn om de werking van de

nanoLOC development kit te verifiëren. Vergelijkbare testen bij de plaatsbepalingsapplicatie

die we zelf ontwikkeld hebben, kunnen ons een idee geven over hoe het nanoLOC systeem

zich verhoudt tegenover het systeem dat we zelf ontwikkeld hebben. We kunnen ons

afvragen welk systeem de beste resultaten levert in een bepaalde meetomstandigheid. Deze

tests kunnen ons bijgevolg ook aanwijzingen opleveren over de manier waarop we onze

eigen plaatsbepalingsapplicatie verder kunnen uitbouwen tot een nauwkeurig werkend

geheel.

De meetopstellingen die uitgevoerd werden, worden één voor één besproken. Hierbij

wordt in sommige gevallen een figuur opgemaakt die de opstelling schetst. De uitgevoerde

metingen worden telkens gebruikt om de afstanden op te meten tussen de blinde node en de

vier referentienodes. Per opstelling worden de meetresultaten verwerkt in MATLAB. De

gegevens worden in een resultatentabel verzameld. Berekeningen leveren de volgende

berekende grootheden op voor elke referentienode:

� De gemiddelde afstand tussen de blinde node (TAG) en de

referentienode (APx). Dit wordt de ‘gemiddeld gemeten afstand’ genoemd,

met x het nummer van de referentienode gaande van 1 tot 4. Deze term

wordt uitgedrukt in meter en wordt in de resultatentabellen met ‘µ’

voorgesteld.


- 68 -

� De mediaan die per referentienode berekend werd uit alle

afstandsmetingen. In de resultatentabel wordt de mediaan voorgesteld door

‘me’

� De standaardafwijking op de gemiddeld gemeten afstand, voorgesteld

door ‘σ’ in de resultatentabel.

� ‘nout’ stelt het aantal outliers voor dat bij deze metingen opgetreden is.

‘An outlier is an observation that lies an abnormal distance from other values in a

random sample from a population.’ [21]

Metingen die buiten dit interval vallen, dat weergegeven is zoals in Formule

6.1, worden als outlier gedefinieerd, MATLAB definieert deze ook zo.

σσ .. 33 +<<− gemiddeldemetinggemiddelde (6.1)

� ‘∆’ representeert het verschil tussen de gemiddeld gemeten afstand ‘µ’ en

de werkelijke afstand tussen de blinde node en de referentienode.

Naast de resultatentabel die opgesteld wordt bij elke meting, wordt ook steeds een

histogram, een QQ- plot en een boxplot opgemaakt per referentienode. Het histogram geeft

weer hoe vaak bepaalde meetwaarden gemeten werden d.m.v. een staafdiagram. De QQ-plot

representeert hoe de meetresultaten zich verhouden tot de normale verdeling. En de boxplot

geeft een grafische weergave van de vijfgetallensamenvatting. Hiermee worden de volgende

vijf waarden bedoeld: de minimum waarde, het eerste kwartiel, de mediaan, het derde

kwartiel en de maximum waarde. Deze grafieken zullen enkel weergegeven worden indien dit

relevant is, dit om de omvang van dit hoofdstuk te beperken.

In eerste instantie wordt een duiding gegeven van de ruimtes die voor deze metingen

gebruikt worden (sectie 6.2). Vervolgens wordt de nanoLOC DK uitgetest in sectie 6.3,

hierbij worden enkele algemene zaken betreffende TOA nagegaan. Het gaat hier

bijvoorbeeld om het niet-normaal verdeeld zijn van de metingen, reflectiegevoeligheid,

invloed van storende elementen in meetopstelling en NLOS situaties.

6.2 Meetomgevingen

Er werden een aantal locaties uitgezocht om de metingen uit te voeren. Bij het kiezen

van deze meetomgevingen werd geprobeerd om een diversiteit aan situaties te creëren. Er

wordt enerzijds een realistische omgeving gebruikt en anderzijds werd ernaar gestreefd

locaties te zoeken waar de effecten ten gevolge van reflectie geheel of gedeeltelijk weg te

werken zijn. Metingen werden verricht in de ‘Katholieke Hogeschool St-Lieven,


- 69 -

technologiecampus Gent’ en de ‘Katholieke Universiteit Leuven, Campus Arenberg, ESAT’.

De meetomgevingen kunnen als volgt samengevat worden:

� Lokaal B134 in KaHo St-Lieven: Dit is een labo omgeving waarin metalen

kasten, labotafels, computers en studenten aanwezig zijn. Deze ruimte werd

uitgekozen omdat ze een realistische ruimte is waarbinnen

locatieafhankelijke toepassingen kunnen opgesteld worden. Hier zal zeker

met effecten zoals verstrooiing, reflectie, … rekening moeten gehouden

worden. Hierna wordt deze ruimte vaak aangesproken als ‘laboruimte’. Het

grondoppervlak is 12mx10m en de hoogte bedraagt 3 m.

� Sportzaal in KaHo St-Lieven: Dit is een vrij grote ruimte van 16mx25m

en een hoogte van 14 m. Deze ruimte zal door zijn omvang vermoedelijk

minder problemen kennen ten gevolge van reflecties. Binnen deze ruimte

staan verder ook geen objecten die reflecties zouden kunnen veroorzaken,

op de zijwanden van de sporthal na uiteraard.

� Buitenmetingen in KaHo St-Lieven: Er werden enerzijds metingen

uitgevoerd op een metalen platform (EMC meetzone) en anderzijds op een

grasveld. Bij de opstelling op het platform dient rekening gehouden te

worden met grondreflecties ten gevolge van het metalen oppervlak.

Grasmetingen zullen hier minder invloed van ondervinden, aangezien het

grasoppervlak minder stralen zal reflecteren.

� Anechoïsche kamer in KU Leuven: In deze ruimte werden metingen

gedaan omdat deze kamer als ideale omgeving bestempeld kan worden.

Binnenin deze ruimte zullen vermoedelijk de beste metingen gebeuren

aangezien hier nagenoeg geen reflecties optreden. De stralen worden

geabsorbeerd wanneer ze de wanden bereiken.

6.3 Uittesten nanoLOC DK

Eerst en vooral zouden we willen nagaan hoe goed de nanoLOC DK werkt en wat de

algemene eigenschappen zijn van TOA. Hiervoor werd besloten om na te gaan of de

meetresultaten normaal verdeeld zijn (sectie 6.3.1), wat de invloed is van de aanwezigheid


- 70 -

van personen (sectie 6.3.2), reflectiegevoeligheid (sectie 6.3.3) en hoe dit systeem zich gaat

gedragen in een Non-Line-Of-Sight situatie (sectie 6.3.4).

6.3.1 TOA metingen niet-normaal verdeeld

In [19] stelt men dat TOA metingen per definitie een niet-normale verdeling hebben.

De QQ-plots weergegeven bij de verder besproken metingen duiden al op een niet-normale

verdeling. Dit doordat er grote staarten zichtbaar zijn op deze plots. Dit wordt nog verder

uitgetest door een aantal metingen uit te voeren en vervolgens de Kolmogorov-Smirnov test

los te laten op de verzamelde meetresultaten. Deze berekeningen worden uitgevoerd binnen

MATLAB.

Als startpunt voor deze testen werden meetresultaten genomen die in de meest ideale

omstandigheden opgemeten werden. We willen op deze manier TOA metingen gebruiken

die niet beïnvloed zijn door effecten zoals reflectie, verstrooiing, … Enerzijds werd voor een

dataset geopteerd van metingen die uitgevoerd werden in de sportzaal in KaHo St-Lieven en

anderzijds een dataset van metingen uitgevoerd in de anechoïsche kamer in Leuven.

� Sportzaal

Om deze test uit te voeren werden meetresultaten gebruikt waarbij de blinde node en

de referentienode (AP1) 5,5 m van elkaar verwijderd waren. Te kleine afstanden leiden vaak

tot slechte resultaten ten gevolge van ruis, ook te grote afstanden zijn niet geschikt. Testen

wijzen uit dat boven een afstand van 10 m geen goede resultaten meer gehaald worden.

Tabel 6.1 geeft de verwerkte meetresultaten weer.

Tabel 6.1 - Meting sportzaal ter bepaling niet-normale verdeling

AP Werkelijke afstand [cm]

µ

[cm]

me

[cm]

σ

[cm] nout

∆

[cm]

1 550 687,761 687 17,022 0 137,761

Uitvoeren van de Kolmogorov-Smirnov test levert een waarde h=1, de test verwerpt

dus duidelijk het normaal verdeeld zijn van deze meetwaarden. Dit is ook zichtbaar door de

aanwezigheid van staarten op de QQ-plot die gemaakt kan worden van deze meetwaarden

zoals weergegeven in Figuur 6.1.


- 71 -

Figuur 6.1 - QQ-plot voor meting in sporthal bij 5,5m afstand tussen blinde en referentienode

� Anechoïsche kamer

Om deze test uit te voeren werden metingen genomen waarbij de blinde node en de

referentienode (AP1) 4 m van elkaar verwijderd waren. Tabel 6.2 geeft de verwerkte

meetresultaten weer. Uitvoeren van de Kolmogorov-Smirnov test levert ook in dit geval een

verwerping op van de nulhypothese. De metingen in de anechoïsche kamer blijken ook niet

te voldoen aan een normale verdeling. Op de QQ-plot in Figuur 6.2 kunnen we ook hier

duidelijk de staarten zien die afwijken van de normale verdeling.

Tabel 6.2 - Meting anechoïsche kamer ter bepaling niet-normale verdeling


µ

[cm]

me

[cm]

σ

[cm] nout

∆

[cm]

1 400 455,544 453 12,338 4 55,544


- 72 -

Figuur 6.2 - QQ-plot voor meting in anechoïsche kamer bij 4 m afstand tussen blinde en

referentienode

6.3.2 Invloed van de aanwezigheid van personen

We willen het effect nagaan van de aanwezigheid van personen in de ruimte

waarbinnen metingen uitgevoerd worden. Onze verwachting hierbij is dat de resultaten een

pak slechter zullen zijn in situaties waarbij mensen doorheen een opstelling lopen in

vergelijking met de situatie waarbij niemand de testopstelling verstoort. De reden hiervoor is

de verstoring van de directe verbindingslijn tussen de referentienodes en de blinde node. De

LOS componenten zullen dus verstoord worden en er zal rekening gehouden worden met

NLOS componenten om de afstand tussen de blinde en de referentienodes te bepalen. Wat

uiteraard impliceert dat deze in grotere mate zullen afwijken van de werkelijke afstand.

Figuur 6.3 geeft een voorstelling weer van een LOS en een NLOS component van een

signaal. Het is duidelijk dat NLOS component hier heel wat later in de ontvanger aankomt

dan de LOS component. De ontvanger zal perfect de piek van de LOS component kunnen

detecteren en zal dus een correcte tijdsmeting doen. Echter, als de LOS component

geblokkeerd wordt, zal de NLOS component als eerste in de ontvanger aankomen en zal de

overeenkomstige tijdsmeting dus een foutief meetresultaat opleveren. Om dit uit te testen

werden metingen uitgevoerd, eerst en vooral in een laboruimte zonder personen (hierna

aangeduid als ‘lege laboruimte’ en daarna in een laboruimte waarin veel studenten aan het

werken zijn (hierna als ‘volle laboruimte’ aangeduid).


- 73 -

Figuur 6.3 - NLOS-component i.p.v. LOS-component

� Laboruimte zonder studenten

De opstelling voor de testen in de ‘lege’ laboruimte ziet eruit zoals weergegeven in

Figuur 6.4. Dit levert de resultaten op van Tabel 6.3, dit na verwerking van de meetgegevens

in MATLAB.

Figuur 6.4 - Opstelling meting in lege laboruimte

Tabel 6.3 - Meetresultaten binnen lege laboruimte

AP Werkelijke afstand [m]

µ

[m]

me

[m]

σ

[m] nout

∆

[m]

1 3,542 2,383 2,390 0,226 28 1,159

2 3,142 2,308 2,290 0,545 4 0,834

3 3,129 3,552 3,560 0,151 25 -0,423

4 3,510 3,866 3,850 0,737 6 -0,356


- 74 -

In deze tabel is duidelijk te zien dat de afwijking, die de nanoLOC location demo

introduceert, groot is t.o.v. de werkelijke afstand van de referentienodes tot de blinde node.

Zo is bijvoorbeeld voor AP1 een verschil van meer dan 1 m te zien tussen de werkelijke

afstand en de gemiddeld gemeten afstand. Op een werkelijke afstand van 3,5 m is dit een

zeer grote afwijking van ongeveer 33%. Verder zien we ook dat de standaardafwijking heel

sterk kan variëren.

Voor de verschillende nodes kunnen ook histogrammen, boxplots en QQ-plots

opgesteld worden. Deze worden weergegeven voor AP1 en AP2 in Figuur 6.5 respectievelijk

Figuur 6.6.

Figuur 6.5 - Resultaten van de metingen in lege laboruimte voor AP1

Figuur 6.6 - Resultaten van de metingen in lege laboruimte voor AP2

� Laboruimte met studenten

Hetzelfde type test wordt nu uitgevoerd in een laboruimte waar studenten aan het

werken zijn. De opstelling wordt weergegeven in Figuur 6.7 en de verwerkte resultaten in

Tabel 6.4.


- 75 -

Figuur 6.7 - Opstelling meting in ‘volle’ laboruimte

Tabel 6.4 - Meetresultaten binnen ‘volle’ laboruimte


µ

[m]

me

[m]

σ

[m] nout

∆

[m]

1 2,505 3,383 3,310 0,751 196 -0,878

2 3,655 4,462 3,960 1,455 399 -0,807

3 3,646 4,679 4,480 1,557 20 -1,033

4 2,466 3,901 3,620 1,417 243 -1,435

We zien duidelijk dat de metingen heel wat meer foute meetwaarden opleveren. Zo

gaat het aantal outliers (nout) heel sterk de hoogte in. Eveneens wordt de standaardafwijking

bijna voor alle nodes 1,5 m wat de meetmethode onbruikbaar maakt. Wanneer we Figuur 6.5

met Figuur 6.8 vergelijken voor AP1 en Figuur 6.6 met Figuur 6.9 voor AP2 is het effect van

de aanwezigheid van personen ook duidelijk zichtbaar. Voor de ‘volle’ laboruimte is heel wat

meer spreiding van de meetresultaten te zien. Dit is duidelijk als je de histogrammen en de

boxplots met elkaar vergelijkt. De QQ-plots leveren op hun beurt extra grote staarten op die

afwijken van de normale verdeling.

Figuur 6.8 - Resultaten van de metingen in volle laboruimte voor AP1


- 76 -

Figuur 6.9 - Resultaten van de metingen in volle laboruitme voor AP2

Conclusie: Plaatsbepaling met de nanoLOC demoapplicatie binnenin een realistische

meetomgeving, zoals de laboruimte B134, levert volgende bemerkingen:

• De standaardafwijking varieert heel sterk, dit kan zelfs tot onaanvaardbare

waarden uitstijgen.

• De nanoLOC demoapplicatie is niet staat om binnen kleine ruimtes, op een

accurate manier aan plaatsbepaling te doen, zeker niet als er binnen deze

ruimte veel mensen aanwezig zijn. De oorzaak hiervan is de onderbreking van

het LOS signaal, waardoor NLOS componenten gebruikt worden om

afstanden te bepalen.

6.3.3 Reflectiegevoeligheid

In deze sectie wordt nagaan wat het gevolg is als metingen plaatsgrijpen in omgevingen

met en zonder wanden die reflecties kunnen opleveren. Hiertoe werden metingen uitgevoerd

in een grasveld waarbij twee referentienodes in het open veld geplaatst werden en twee

nodes dicht bij een muur. De verwachtingen van deze metingen zijn dat opstellingen dicht

bij een muur slechtere resultaten zullen opleveren dan opstellingen op een open grasveld. De

muur zal namelijk meer signalen reflecteren dan het grasoppervlak. Meerdere componenten

van het verzonden signaal zullen aankomen bij de ontvanger. De ontvanger zal bij het

detecteren van het ingangsignaal een extra fout introduceren bij de tijdsmeting. Een aantal

simulaties in MATLAB leveren ons een beter inzicht. De bestanden die hiervoor gebruikt

worden, zijn terug te vinden in bijlage C.

Er werd een functie ontwikkeld ‘chirpradarwindow(td)’ (bijlage C1). Binnen deze

functie wordt een chirp-puls gedefinieerd zoals deze in de specificaties van de nanoLOC

hardware omschreven wordt. Het gaat om een chirp-puls met bandbreedte 80 MHz, na het

toepassen van een vensterfunctie 64 MHz, en dit over een duur van 1µs. Deze puls wordt

dan als het ware in twee (of meerdere) verschillende componenten ontvangen: LOS

component en de NLOS component. De LOS component zal op het tijdstip 0 aankomen in


- 77 -

de ontvanger terwijl de NLOS component na reflectie op het tijdstip td in de ontvanger

aankomt. Beide signalen zullen elkaar uiteraard gedeeltelijk overlappen. Hierdoor zal de

ontvanger een fout introduceren bij de detectie van het maximum van het signaal, dus ook

bij de tijdsmeting. Om dit te simuleren worden twee componenten van de chirp-puls

aangemaakt. De tweede chirp-puls S2 (NLOS signaal) is een tijd td verschoven t.o.v. de eerste

chirp-puls S1 (LOS signaal). De waarde van td kan meegegeven worden als attribuut van deze

functie. Beide signalen zullen aankomen in de ontvanger, dus kunnen deze gewoon opgeteld

worden; dit levert S3= S1 + S2. Bij de ontvangst wordt het maximum bepaald van de

crosscorrelatie van het ontvangen signaal met het verwachte signaal. De geïntroduceerde

fout in de tijdsmeting wordt bepaald door het verschil van de positie van dit maximum t.o.v.

de positie van het maximum indien enkel S1 zou verzonden worden. Dit levert een

tijdsverschil tm [ns] op. Dit tijdsverschil is rechtstreeks gerelateerd met de fout in de

afstandsmeting.

Voorbeeld:

Ter illustratie werd een voorbeeld situatie genomen waarbij een signaal uitgezonden

wordt tussen een referentienode en een blinde node. De situatie wordt weergegeven in

Figuur 6.10. Twee componenten van dit signaal zullen de blinde node bereiken. Enerzijds

het rechtstreekse signaal dat zich over 12 m zal verplaatsen en anderzijds het gereflecteerde

signaal dat een afstand van m422,1446.2 22 =+ afleggen. Dit is 0,649 m meer dan het

rechtstreekse signaal, dit komt overeen met een tijd td zoals berekend is in formule (6.1)

s

smm

c

dtd

9

810.07,8

10.3

422,2 −=== (6.1)

Figuur 6.10 - Voorbeeld ter illustratie fout in tijdsmeting ten gevolge van reflectie

Als deze tijd td ingeven wordt in de functie chirpradarwindow(td). Dan levert dit een

tijdsverschil tm=3,9 ns, wat overeenstemt met een afstand van 1,17 m.

Indien td nu varieert van 0 tot 100 ns dan krijgen we het verloop zoals weergegeven in

Figuur 6.11. Om dit uit te voeren werd in MATLAB een functie ontwikkeld ‘Systeemfout’,

dit is terug te vinden in bijlage C2


- 78 -

Figuur 6.11 - Geïntroduceerde fout in tijdsmeting (tm) t.g.v. bijkomende reflectie

Om na te gaan of de resultaten zoveel verschillen indien meer reflecties optreden,

worden testen uitgevoerd waarbij 2 nodes in het open grasveld (AP1 en AP2) geplaatst

worden en twee nodes dicht bij een muur (AP3 en AP4). De resultaten worden weergegeven

in Tabel 6.5. Als het gemeten verschil ∆ procentueel t.o.v. de werkelijke afstand wordt

berekend, dan is duidelijk dat voor AP1(3%) en AP2(19%) een kleinere procentuele

afwijking gemeten werd t.o.v. de waarden bij AP3(28%) en AP4(30%). Dit staaft onze

theoretische verwachtingen.

Tabel 6.5 - Meetresultaten reflectiegevoeligheid


µ

[m]

me

[m]

σ

[m] nout

∆

[m]

1 6,924 7,1348 6,7700 1,122 258 -0,211

2 3,980 4,757 4,750 0,195 50 -0,777

3 10,713 13,747 13,610 0,956 46 -3,034

4 12,118 15,424 15,410 1,511 14 -3,306

6.3.4 Non Line-Of-Sight (NLOS)

Theoretische studie wijst uit dat Time Of Arrival als technologie niet goed

functioneert in NLOS situaties. Om de praktijk te toetsen aan de theoretische bevindingen


- 79 -

werd een behoorlijk extreme meetopstelling uitgevoerd. Hierbij wordt over de blinde node

een kartonnen doos geplaatst. Zodanig zal de blinde node met geen enkele referentienode

via de directe verbindingslijn kunnen communiceren. De opstelling wordt weergegeven in

Figuur 6.12 en de bekomen meetresultaten in Tabel 6.6.

Figuur 6.12 - Schets NLOS meetopstelling

Tabel 6.6 - Verwerkte resultaten van de Non Line-Of-Sight meting


µ

[cm]

me

[cm]

σ

[cm] Nout

∆

[cm]

1 4,220 9,889 9,520 2,748 26 5,669

2 3,889 10,529 10,670 0,890 161 6,640

3 2,654 6,167 6,170 0,333 63 3,513

4 3,113 11,310 11,180 1,589 40 8,197

Deze meetgegevens tonen zeer duidelijk dat dit systeem niet in staat is om op een

correcte manier te werken in deze behoorlijk extreme NLOS situaties. We krijgen

onaanvaardbare verschillen ∆ tussen de werkelijke afstand en de gemiddeld gemeten afstand

µ. Deze varieert van 3,5 m tot 8,2 m. Verder blijk ook de standaardafwijking zeer sterk te

variëren. Dit alles wijst erop dat TOA niet geschikt is voor zulke situaties. Iets minder

extreem is de situatie zoals weergegeven in Figuur 6.13, NLOS signalen kunnen de

ontvanger nu wel bereiken. De verwerkte meetgegevens zijn terug te vinden in Tabel 6.7.


- 80 -

Figuur 6.13 - Schets van de 2de NLOS meetopstelling

Tabel 6.7 - Verwerkte resultaten van de NLOS meting 2


µ

[m]

me

[m]

σ

[m] nout

∆

[m]

1 3,534 8,778 8,870 0,580 145 -5,244

2 5,278 5,021 5,060 0,423 50 0,257

3 5,121 6,198 6,210 0,494 14 -1,077

4 3,462 7,507 7,500 0,463 7 -4,045

De verwerkte resultaten duiden hier opnieuw op een groot verschil tussen de

werkelijke afstand en de gemiddeld gemeten afstand. Naast standaardafwijkingen die 0,5 m

bedragen treedt er ook een verhoogd aantal outliers op t.o.v. bijvoorbeeld de metingen in de

lege laboruimte in sectie 6.3.2.

Conclusie: TOA systeem is niet geschikt om te gebruiken in situaties waar een NLOS

situatie bestaat tussen de blinde node en de referentienodes. Hier wordt beter

overgeschakeld op een technologie zoals RSS.

6.4 Vergelijking nanoLOC met eigen plaats-

bepalingssysteem

Daar het gebruik van de ruwe data binnen ons systeem extreem slechte resultaten met

zich meebrengt, werd besloten deze resultaten niet te vermelden. Er dient eerst op een

geschikte manier processing te gebeuren op deze resultaten om tot een werkend systeem te

komen. Deze vorm van processing wordt in de volgende secties vermeld.


- 81 -

6.4.1 Verband tussen werkelijke afstand en gemeten

afstand

Daar processing van de ontvangen meetresultaten noodzakelijk is om een geschikt

plaatsbepalingssyssteem te ontwerpen, werd besloten eens na te gaan wat het verband is

tussen de werkelijke afstand, tussen de blinde node en een referentienode, en de opgemeten

afstand tussen deze twee nodes. De opgemeten afstanden zijn het gevolg van eenvoudige

tijdsmetingen tussen de nodes. Met andere woorden, er werd nog geen processing toegepast

op de opgemeten waarden. Via deze metingen willen we nagaan of de nodes al dan niet

offsetfouten en/of andere fouten introduceren.

De opstelling gekozen voor deze metingen wordt voorgesteld in Figuur 6.14. Twee

referentienodes worden op een onderlinge afstand van 10,25 m geplaatst. De blinde node

wordt verplaatst op de verbindingslijn tussen beide. Hierbij vertrekt de blinde node op 0,25

m van de eerste referentienode (dus 10,00 m van de tweede referentienode). Op deze positie

blijft de blinde node ongeveer 5 min staan om metingen uit te voeren. De geschatte

afstanden, tussen AP1 en de blinde node enerzijds en tussen AP2 en de blinde node

anderzijds, worden continue opgeslagen in een log-file waarna deze verwerkt kunnen

worden. Nadat de metingen op deze positie verricht zijn, wordt de blinde node 0,25 m

verplaatst en worden de metingen opnieuw opgestart. Hierna gaan we zo verder tot we 10,00

m afstand verwijderd zijn van AP1 (dus 0,25 m van AP2). Deze metingen werden verricht in

de sporthal van KaHo St-Lieven.

Figuur 6.14 - Opmeten verband werkelijk afstand t.o.v. gemeten afstand in de sportzaal

De bekomen meetresultaten voor AP1 werden verwerkt en dit levert Tabel 1 op die in

bijlage D terug te vinden is.

De verkregen resultaten werden gebruikt om het verband te bepalen tussen de

werkelijke afstand [cm] en de opgemeten afstand [cm]. Deze waarden worden tegenover

elkaar uitgezet in een grafiek. Vervolgens wordt lineaire regressie toegepast om zo de best

passende rechte te vinden die doorheen de meetpunten kan getrokken worden. De algemene

vergelijking van deze rechte is dcxy += . Dit resulteert in de rechte met vergelijking

5752984580 ,, −= xy met y de werkelijke afstand [cm] en x de gemeten afstand [cm]. Dit is

voorgesteld in Figuur 6.15.


- 82 -

AP1

y = 0,8458x - 29,575

0100200300400500600700800900

10001100

0

10

0

20

0

30

0

40

0

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00

11

00

12

00

13

00

14

00

Gemeten afstand [cm]

We

rke

lijk

e a

fsta

nd

[cm

]

Reeks1

Lineair (Reeks1)

Figuur 6.15 - Verband tussen werkelijke en gemeten afstand voor AP1 - Sporthal

We kunnen ons nu afvragen of het gevonden verband afhankelijk is van de node die

gebruikt wordt voor de afstandsmetingen. Om dit na te gaan werd een gelijkaardige tabel en

grafiek opgesteld voor referentienode AP2. Dit wordt weergegeven in Tabel 2 in bijlage D en

Figuur 6.16.

De best passende rechte die gevonden kan worden voor het verband tussen de

gemeten en de werkelijke afstand voor AP2 levert de vergelijking 1883085570 ,, −= xy . Dit is

voorgesteld in Figuur 6.16.

AP2

y = 0,8557x - 30,188

0

100200

300400

500

600700

800900

1000

0

10

0

20

0

30

0

40

0

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0

10

00

11

00

12

00


We

rke

lijk

e a

fsta

nd

[cm

]

Reeks1

Lineair (Reeks1)

Figuur 6.16 - Verband tussen de werkelijke en gemeten afstand voor AP2 - Sporthal

Er is duidelijk te zien dat zowel voor AP1 als voor AP2 een c-coëfficiënt van ongeveer

0,85 bekomen wordt en een d-coëfficiënt die ongeveer gelijk is aan -30.

Conclusie: Het verband tussen de werkelijke afstand en de gemeten afstand is onafhankelijk

van welke referentienode gebruikt wordt voor het opmeten van de rechte.


- 83 -

In ideale omstandigheden zouden we verwachten dat c=1. We kunnen ons nu echter

afvragen waarom deze factor van 1 verschilt. Om dit na te gaan werden simulaties in

MATLAB gemaakt. De files die hiervoor gebruikt werden, zijn terug te vinden in bijlage C.

Er wordt gebruik gemaakt van de eerder besproken functie ‘chirpradarwindow(td,tg,th)’.

Deze werd uitgebreid zodat er met meerdere reflecties rekening kan gehouden worden. Het

hoofddoel van deze functie is na te gaan in welke mate gereflecteerde pulsen een verkeerde

tijdsmeting zullen opleveren. Gereflecteerde pulsen zullen steeds een bepaalde tijd later

aankomen dan het rechtstreekse LOS signaal. Deze tijd kan ingegeven worden via td, tg en th.

Hiermee kunnen drie reflecties in rekening gebracht worden, uitbreiding tot meerdere

reflecties is zeer eenvoudig.

Naast deze functie werd ook nog een functie ‘Zijwanden’ ontwikkeld. De code is terug

te vinden in bijlage C3. Deze functie simuleert het opmeten van de rechte binnen de ruimte,

hierbij wordt de afstand tussen de blinde en de referentienode stapsgewijs vergroot van 0 tot

20 m. Deze functie biedt bovendien ook de mogelijkheid om, naargelang de afmetingen van

de ruimte, de reflecties in rekening te brengen. De afstand van de antennes tot de wanden

van de ruimte wordt in rekening gebracht. De functie ‘zijwanden’ zal deze afstanden

gebruiken om de tijden td, th, tg uit te rekenen. Dit is de tijd dat het signaal langer onder weg

is als het reflecteert op één van de wanden. De wanden kunnen de vloerplaat, muren,

plafond zijn. Deze tijden worden dan gebruikt als input voor de functie

‘chirpradarwindow(td,tg,th)’. Hierbij zal de fout berekend worden die zal optreden in de

tijdsmetingen ten gevolge van deze reflecties. Vervolgens wordt het verband opgesteld

tussen de werkelijke afstand tussen de blinde en referentienode (deze varieert van 0 tot 20 m

in stappen van 20 cm) en de gemeten afstand die rekening houdt met de geïntroduceerde

fout t.g.v. reflecties. Bijkomstig wordt een lineair verband bepaald tussen deze twee

grootheden.

Indien dit toegepast wordt voor de sporthal, kunnen de reflecties op de vloer, plafond

en zijwand in rekening gebracht worden. Dit levert de vergelijking 3887093520 ,, += xy op.

Hieruit blijkt duidelijk dat de reflecties ervoor zullen zorgen dat c ≠ 1 wordt. Figuur 6.17

toont het verloop, in deze theoretische benadering is duidelijk te zien dat er eigenlijk niet

zomaar benaderd kan worden met een rechte, de meetgegevens slingeren rondom de

berekende rechte.


- 84 -

Figuur 6.17 - Theoretisch verband tussen gemeten en werkelijke afstand

Een andere vraag die ons nu nog bezighoudt, behandelt de afhankelijkheid van deze

rechte t.o.v. de ruimte waarin ze opgemeten werd. M.a.w. we vragen ons af of er bij een

gelijkaardige opstelling in andere omgevingen steeds dezelfde rechte bekomen zal worden.

Intuïtief voelt men aan dat deze rechte wel degelijk omgevingsafhankelijk zal zijn, dit ten

gevolge van het al dan niet aanwezig zijn van reflecties. In een omgeving waar bijna geen

reflecties optreden zouden we gevoelsmatig c=1 verwachten. Om dit na te gaan werd er

gekozen om dezelfde metingen nog eens over te doen binnen de anechoïsche kamer in KU

Leuven. De opstelling wordt voorgesteld in Figuur 6.18.

Figuur 6.18 - Opmeten verband werkelijk afstand t.o.v. gemeten afstand in de anechoïsche kamer

De resultaten werden opnieuw verwerkt in MATLAB en dit levert voor AP1 het

verband 9285302911 ,, −= xy . Dit wordt weergegeven in Figuur 6.19. De gegevens waarop

deze grafiek gebaseerd is worden in bijlage D weergegeven in Tabel 3.


- 85 -

AP1

y = 1,0291x - 3,9285

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0

10

0

20

0

30

0

40

0

50

0

60

0

70

0

80

0

90

0


We

rke

lijk

e a

fsta

nd

[cm

]

AP1

Lineair (AP1)

Figuur 6.19 - Verband tussen gemeten en werkelijke afstand voor AP1 – Anechoïsche kamer

We zien duidelijk dat, bij de metingen in de anechoïsche kamer, c ongeveer gelijk

wordt aan 1, zoals we voorspeld hadden. De kleine afwijkingen hierop zijn toe te schrijven

aan de wijze waarop deze anechoïsche kamer gebruikt werd. Er werd namelijk niet op een

ideale manier binnen deze ruimte gewerkt. De anechoïsche kamer is speciaal ontwikkeld om

zoveel mogelijk reflecties uit te schakelen bij metingen die in het centrum van de kamer

gebeuren. Wij werden door de aard van onze metingen echter verplicht om deze centrale

opstelling te verlaten en zo werden de eigenschappen van deze kamer niet ten volle benut.

Ditzelfde wordt gedaan voor AP2 en dit levert het verband 5806203491 ,, −= xy . De

gegevens waarop dit verband gebaseerd is worden in bijlage D weergegeven in Tabel 4.

Conclusie: De bepaling van het lineaire verband tussen de werkelijke afstand en gemeten

afstand is omgevingsafhankelijk, dit ten gevolge van de optredende reflecties.

6.4.2 Implementatie gemeten rechte

Er werd beslist om de rechte, opgemeten in de sportzaal, binnen ons systeem te

integreren. Of dit een verbetering oplevert in onze meetresultaten moet blijken uit

bijkomende testen. Hierbij worden de twee verschillende systemen met elkaar vergeleken.

We nemen exact dezelfde uitgangspositie en laten hier eerst de nanoLOC demoapplicatie op

werken. Daarna worden de metingen ook uitgevoerd met onze eigen plaats-

bepalingsapplicatie. De eerste metingen worden uitgevoerd in de sportzaal. De bekomen

resultaten voor de opstelling worden verwerkt en weergegeven in Tabel 6.8 en Tabel 6.9.


- 86 -

Tabel 6.8 - Metingen nanoLOC demoapplicatie in sportzaal


µ

[cm]

me

[cm]

σ

[cm] nout

∆

[cm]

1 458,5 502,240 502 15,530 11 -43,7

2 286,4 305,390 305 15,690 24 -19,0

3 209,9 208,650 209 15,010 13 1,3

4 415,3 444,480 444 41,980 5 -29,2

Tabel 6.9 - Metingen eigen applicatie (met geïntegreerde rechte) in sportzaal


µ

[cm]

me

[cm]

σ

[cm] nout

∆

[cm]

1 458,5 455,225 457 32,766 54 3,3

2 286,4 289,034 290 29,595 27 -2,6

3 209,9 209,891 208 25,885 55 0,0

4 415,3 407,468 407 36,339 2 7,8

Vergelijking van de opgemeten resultaten toont aan dat bij het eigen

plaatsbepalingssysteem een kleiner verschil ∆ wordt gedetecteerd tussen de werkelijk afstand

en de gemiddeld gemeten afstand. Daartegenover staat wel dat het nanoLOC systeem een

kleinere standaardafwijking σ introduceert. De gebruiker kan hier afwegen welk systeem het

meest geschikt is.

Beide systemen lijken totaal verschillend te werken. Statistisch kan nagegaan worden of

beide systemen daadwerkelijk zoveel van elkaar verschillen. Dit gebeurt door de Wilcoxon

rank-sum test toe te passen. Indien de hypothesetest verworpen wordt, dan kunnen we

concluderen dat beide datasets niet van dezelfde continue verdeling afkomstig zijn. De

datasets worden per node aan een test onderworpen in MATLAB via het commando

[p,h]=ranksum(dataeigen,datananoLOC). Voor elke node wordt p=0 en h=1. Dit betekent

dat de nulhypothese verworpen wordt met een significantieniveau van 5%.

Conclusie: Beide systemen presteren goed bij metingen in grote ruimtes zoals de sportzaal.

Statistische verwerking wijst echter uit dat beide systemen significant van elkaar verschillen.

Hierbij kunnen we concluderen dat het plaatsbepalingssysteem bij de nanoLOC demo anders

te werk gaat dan ons eigen systeem.

Zal het systeem echter even goed werken in andere omgevingen? Hiertoe werd het

eigen plaatsbepalingssysteem uitgetest in andere omgevingen, binnen een laboruimte en op

een grasveld.


- 87 -

Tabel 6.10 - Metingen eigen plaatsbepalingssysteem in laboruimte


µ

[m]

me

[m]

σ

[m] nout

∆

[m]

1 3,262 2,652 2,660 0,209 596 0,610

2 3,593 3,395 3,400 0,221 198 0,198

3 3,422 2,859 2,850 0,441 371 0,563

4 3,263 2,870 2,860 0,534 438 0,393

Tabel 6.11 - Metingen eigen plaatsbepalingssysteem op grasveld


µ

[m]

me

[m]

σ

[m] nout

∆

[m]

1 4,585 4,197 4,190 0,131 21 0,388

2 2,864 2,498 2,500 0,132 21 0,367

3 2,099 1,706 1,700 0,134 17 0,393

4 4,153 3,730 3,730 0,132 18 0,423

Tabel 6.10 en Tabel 6.11 geven de meetresultaten weer. Hierop is duidelijk te zien dat

we binnen de laboruimte een meer variërende standaardafwijking hebben dan bij het

grasveld. Ook het verschil tussen gemiddeld gemeten en werkelijke afstand is groter in de

laboruimte dan op het grasveld. Dit is logisch doordat binnen het labo meer reflecties zullen

optreden. Echter dit verschil is zeker niet onaanvaardbaar, om het gebruik ervan mogelijk te

maken voor de applicatie besproken in Hoofdstuk 7, waar plaatsbepaling uitgevoerd wordt

tot op 1m² nauwkeurig.

Conclusie: Het ontwikkelde plaatsbepalingssysteem functioneert goed in grote ruimtes waar

weinig objecten aanwezig zijn. Metingen gebeuren er met een standaardafwijking van

ongeveer 13 cm.

6.4.3 Batterijgevoeligheid van het systeem

Na het uitvoeren van het geheel aan metingen, rees bij ons de vraag of de werking van

dit systeem afhankelijk is van het type voeding dat gebruikt wordt. Verschillen de resultaten

significant als je werkt met batterijen of met stekkervoeding? En hoe verhouden de

resultaten zich als er gewerkt wordt met volle batterijen of met bijna lege batterijen.

In eerst instantie werden volle batterijen vergeleken met bijna lege batterijen. Dit

wordt opgemeten via de opstelling weergegeven in Figuur 6.20.


- 88 -

Figuur 6.20 - Opstelling meting lege batterij t.o.v. volle batterij

We bekijken de situatie waarbij AP4 en de blinde node batterij gevoed zijn. We

verwerken enkel de waarden van de afstandsmetingen tussen AP4 en de blinde node. In

eerste instantie worden de metingen met bijna lege batterijen uitgevoerd om vervolgens met

volle batterijen. Hierbij vertrekken we steeds van dezelfde opstelling. De metingen werden

verricht in de sporthal van KaHo St.-Lieven. De verwerking van de opgemeten gegevens in

MATLAB levert Tabel 6.12 op.

Tabel 6.12 - Verwerkte resultaten lege t.o.v. volle batterijen

Status batterijen

Aantal metingen

Werkelijke afstand [cm]

µ [cm]

me [cm]

σ [cm]

nout ∆

[cm]

Bijna Leeg 4989 310,5 300,69 301 12,29 22 9,8

Vol 4989 310,5 301,83 302 12,37 12 8,7

In deze tabel is duidelijk te zien dat de gemiddeld gemeten waarde µ bij de lege

batterijen ongeveer 1 cm verschilt van de volle batterijen. Beide systemen leveren een

verschil ∆ tussen de werkelijke en de gemeten afstand die lager ligt dan 10 cm. Dit blijkt een

fout van ongeveer 3% te zijn t.o.v. een afstand van 310,5 cm tussen referentienode 4 en de

blinde node. We zien duidelijk dat beide systemen wel een verschil hebben in het aantal

outliers dat gemeten werd. De meetopstelling met bijna lege batterijen heeft bijna dubbel

zoveel outliers dan de opstelling met volle batterijen, nout=22 voor bijna lege batterijen

tegenover nout=12 voor volle batterijen.

Nu blijken deze testresultaten op het zicht niet veel van elkaar te verschillen. Maar is

dit statistisch ook wel zo. We kunnen nagaan of deze twee metingen significant van elkaar


- 89 -

verschillen of niet. We doen dit m.b.v. de eerder besproken Wilcoxon rank-sum test. Het

uitvoeren van deze test gebeurt in MATLAB met het volgende commando:

>> [p,h]=ranksum(LegeBattInAP4enTAG,VolleBattInAP4enTAG)

Hierbij stelt LegeBattInAP4enTAG de 1-kolomsmatrix voor met de meetresultaten van de

testopstelling waarbij AP4 en de blinde node bijna lege batterijen bevatten.

VolleBattInAP4enTAG stelt dan de meetresultaten voor die verkregen worden in het geval

van volle batterijen in AP4 en de blinde node. De resultaten van deze test zijn:

p = 1.0326e-005

h = 1

We kunnen dit als volgt interpreteren: De nulhypothese, die stelt dat beide matrices

afkomstig zijn van een identieke continue verdeling en een gelijke mediaan hebben, wordt

verworpen omdat we hier een P-waarde verkrijgen die duidelijk kleiner is dan het

significantieniveau a = 0,05. Dit wordt ook aangeduid door h=1 als resultaat van dit

commando in MATLAB.

Conclusie: Ondanks de gelijkaardige resultaten voor lege en volle batterijen zoals

weergegeven Tabel 6.12, verwerpt de Wilcoxon rank-sum test de nulhypothese. We kunnen

hieruit besluiten dat beide systemen significant van elkaar verschillen en dus niet van een

identieke continue verdeling afkomstig zijn met gelijke mediaan.

Hoofdstuk 6 · Hoofdstuk 6: Vergelijkende meetopstellingen en meetresultaten - 72 - Figuur 6.2 -...

Documents

Transcript of Hoofdstuk 6 · Hoofdstuk 6: Vergelijkende meetopstellingen en meetresultaten - 72 - Figuur 6.2 -...