Intelligent wireless networks and robots for low-cost battery-less sensing and localization

Abstract

This dissertation presents a comprehensive exploration of radio frequency identification (RFID) technology merged with robotics, shedding light on their transformative potential and inherent challenges. At the heart of our research lies the meticulous study of monostatic localization using novel techniques that do not necessarily imitate a synthetic aperture radar (SAR), in sharp contrast to prior art; instead, the adopted approach exploits sparse and low-bandwidth phase measurements with appropriate particle filtering weights, so that robustness to indoor multipath is achieved. As a result, state-of-the-art performance in 3D localization utilizing commercial Gen2 RFID tags is achieved with a mean absolute error of 24 cm. Building upon this foundational work, the research delves into the intricacies of multipath effects, particularly the distortions introduced by environmental reflections. Notably, the investigation in this realm resulted in a technique that jointly estimates the location of the tag as well as its reflector with a reflector localization accuracy of 5 cm; such (perhaps) pioneering endeavor adheres to low bandwidth limitations of existing, commercial RFID systems. Furthermore, study of bistatic/multistatic localization is performed, offering elliptical direction-of-arrival (DoA) estimation and 2D/3D localization techniques, with unique geometrical considerations and their implications on RFID systems. These techniques offer estimations with as low as 5° and 9 cm mean absolute error for DoA and 2D localization respectively. Transitioning next into the realm of wireless sensor networks (WSNs), the dissertation elucidates the symbiotic relationship between RFIDs and WSNs, emphasizing key considerations surrounding interrogation architectures and their real-world ramifications. Experiments include both unmanned aerial vehicles (UAV), as well as ground-based pedestrian interrogation systems, using bistatic and monostatic architectures. A paramount feature of this research is the seamless integration of theoretical studies with tangible applications, resulting in real-world systems primed for diverse applications. This is exemplified in our development of a mobile interrogation and localization system, integrated with the Robot Operating System (ROS), capable of pinpointing RFID tags in complex environments, like warehouses, libraries, and offices. Further, the synergy of UAV-based interrogation with backscatter technology emerges as a beacon of innovation, signaling new horizons in precision agriculture.

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη διερεύνηση της τεχνολογίας αναγνώρισης μέσω ραδιοσυχνοτήτων (RFID) σε συνδυασμό με τη ρομποτική, προβάλλοντας τις μετασχηματιστικές της δυνατότητες και τις εγγενείς της προκλήσεις. Στο επίκεντρο της έρευνάς μας βρίσκεται η αναλυτική μελέτη του μονοστατικού εντοπισμού με τη χρήση νέων τεχνικών που δεν αποτελούν αναγκαστικά μίμηση ενός ραντάρ συνθετικού διαφράγματος (SAR), σε έντονη αντίθεση με τις προϋπάρχουσες τεχνικές- αντ’ αυτού, η προσέγγιση που υιοθετήθηκε αξιοποιεί αραιές και χαμηλού εύρους ζώνης μετρήσεις φάσης με φίλτρα σωματιδίων κατάλληλα ζυγισμένα, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται ανθεκτικότητα στην ανακλαστικότητα εσωτερικών χώρων. Ως αποτέλεσμα, επιτυγχάνεται κορυφαία επίδοση στον τριδιάστατο εντοπισμό θέσης χρησιμοποιώντας εμπορικές ετικέτες RFID Gen2 με μέσο απόλυτο σφάλμα 24 εκ. Βασιζόμενη σε αυτή τη θεμελιώδη εργασία, η έρευνα εμβαθύνει στις ιδιαιτερότητες του φαινομένου πολλαπλών διαδρομών διάδοσης λόγω ανακλάσεων, και συγκεκριμένα στις παραμορφώσεις που προκαλούνται από αυτές τις ανακλάσεις. Αξίζει να σημειωθεί ότι η διερεύνηση σε αυτό το πεδίο οδήγησε σε μια τεχνική που εκτιμά από κοινού τη θέση της ετικέτας, καθώς και του ανακλαστήρα της, με 5 εκ. ακρίβεια στον εντοπισμού του ανακλαστήρα- αυτή η (ίσως) πρωτοποριακή προσπάθεια ακολουθεί τους περιορισμούς χαμηλού εύρους ζώνης των υφιστάμενων, εμπορικών συστημάτων RFID. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε μελέτη του διστατικού/πολυστατικού εντοπισμού θέσης, προσφέροντας μια «ελλειπτική» εκτίμηση της κατεύθυνσης άφιξης (DoA), τεχνικές 2D/3D εντοπισμού βασιζόμενες σε ιδιαίτερες γεωμετρικές ιδιότητες και τις ιδιαιτερότητες της εφαρμογής τους σε συστήματα RFID. Οι τεχνικές αυτές προσφέρουν εκτιμήσεις με μέσο απόλυτο σφάλμα μόλις 5° και 9 εκ. για DoA και 2D εντοπισμό, αντίστοιχα.Μεταβαίνοντας στη συνέχεια στον τομέα των ασύρματων δικτύων αισθητήρων (WSN), η διατριβή μελετά τη συμβιωτική σχέση μεταξύ των RFID και των WSN, δίνοντας έμφαση σε βασικά ζητήματα σχετικά με τις αρχιτεκτονικές ανάγνωσης και τις επιπτώσεις τους σε πραγματικές εφαρμογές. Τα πειράματα περιλαμβάνουν τόσο μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAV), όσο και επίγεια συστήματα ανάγνωσης με πεζούς, χρησιμοποιώντας διστατικές και μονοστατικές αρχιτεκτονικές. Πρωταρχικό χαρακτηριστικό αυτής της έρευνας είναι η άρτια ενσωμάτωση των θεωρητικών μελετών σε απτές εφαρμογές, καταλήγοντας σε πραγματικά συστήματα έτοιμα για διάφορες εφαρμογές. Αυτό αποδεικνύεται από την ανάπτυξη ενός κινητού συστήματος ανάγνωσης και εντοπισμού ετικετών, ενοποιημένο με το ρομποτικό λειτουργικό σύστημα (ROS), το οποίο είναι ικανό να εντοπίζει ετικέτες RFID σε πολύπλοκα περιβάλλοντα όπως αποθήκες, βιβλιοθήκες και γραφεία. Περαιτέρω, η συνέργεια της ανάγνωσης μέσω UAV σε συνδυασμό με την τεχνολογία οπισθοσκέδασης αναδεικνύεται ως παράδειγμα καινοτομίας, σηματοδοτώντας νέους ορίζοντες στη γεωργία ακριβείας.