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PX POSLOC
un système de positionnement local
                  « INDOOR »

Andreas Blatter, PX Group, La Chaux-de-Fonds
andreas.blatter@pxgroup.com
Cyril Botteron, EPFL ESPLAB, Neuchâtel
cyril.botteron@epfl.ch
Agenda
 Motivations
 Développements technologiques
 Installation chez PX Précimet SA
 Résumé et bilan
 Perspectives




            Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"   2
Projet atypique
 Projet ne visant pas un nouveau produit PX
 Projet à long-terme
 Projet hors des « core competences »


 Stimuler l’innovation
 Collaboration université – industrie
 Contribuer au développement d’une nouvelle
  technologie avec de grands potentiels


                                               3
A quoi ça sert?
Suivre un lot de fabrication à tout moment pour des
raisons de:
 Logistique (gérer les flux)
 Sécurité (métaux précieux)

Défis
 Zones encombrées
 Sans fil
 Basse puissance, bon-marché, miniature
 Précision de l’ordre de 10 cm
           December 16, 2011 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"   4
Quelle technologie?




 Hui Liu; Darabi, H.; Banerjee, P.; Jing Liu; , "Survey of Wireless Indoor Positioning Techniques and Systems,"
 Systems, Man, and Cybernetics, Part C: Applications and Reviews, IEEE Transactions on , vol.37, no.6, pp.1067-
 1080, Nov. 2007


                             Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"                 5
UWB LPS – comment ça marche?
1) Distance measurement                              3) Unknown time of transmission
                ToF=44ns 13.2m                          => Time difference of arrival
                                                     (TDOA)                                            Synchro


                                                                               Rx4                                           Rx2




                                                                                                                   A2
                                                                                                TO




                                                                                                                 TO
                                                                              Synchro




                                                                                                  A4




                                                                                                                              Synchro
                                                                                               TOA3                TOA
                                                                                                                         1

                                                                                                       Synchro
                                                                               Rx3                                           Rx1

2) Time of Flight => Distance
   => Trilateration
                                          Top synchro                                            Computer
                                                     ToA1
                                        Rx1
                                                                      TDoA1
                                                     ToA2
                                        Rx2                              TDoA2
                                                                                                                    Transmit pulse
                                                     ToA3




                                                                                                          Time
                                        Rx3                                                                         Received pulse
                                                                     TDoA3
                                                     ToA4
                                        Rx4
                                                      ToF1    ToF2     ToF3             ToF4

                                        Tx3

                   Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"                                                 6
Axes de développement
 Emetteurs (TAGs): low cost + miniature + low power
   ASIC transmetteurs
   Design de petites antennes
   Minimiser la consommation


 LPS infrastructure: low cost + scalable + easy
  deployment + low power
   Étape intermédiaire: récepteur programmable sur une
    plateforme de développement (not low cost!)
   Développement de nouveaux algorithmes pour un
    déploiement grande échelle
   Objectif final: ASIC émetteur-récepteur (transceiver)


               Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"
Agenda
 Motivations
 Développements technologiques
 Installation chez PX Précimet SA
 Résumé et bilan
 Perspectives




            Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"   8
PX PosLoc Développements (2006-2011)
1) Application Specific Integrated Circuits (ASICs)                       2) UWB receivers (custom PCB and COTS)




UWB ASIC modulator & pulse   UWB ASIC receiver building
generator (CMOS 180nm)       blocks (CMOS 180nm)


4) Control Centre Application (running on a PC)




                                                                           3) UWB tags (custom PCB and ASIC+COTS)




                                   Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"             9
Agenda
 Motivations
 Développements technologiques
 Installation chez PX Précimet SA
 Résumé et bilan
 Perspectives




            Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"   10
Installation chez PX Précimet SA

                                           RX




  TX




          Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"   11
Installation in PX Précimet SA




 Cellules de positionnement (vert) et de détection de présence
  (rouge) couvrant la grande partie de la halle de fabrication avec
  22 récepteurs.
                Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"   12
TAG mobile
       (émetteur)

 Récepteurs fixes


   Logfile
   date     heure   ID        X (m) Y (m)   x^2                               y^2      # Recv   Réf
20.01.2012 10:26:41 15        57.37 19.6 0.001453                          0.000819       6      5
20.01.2012 10:28:43 20         45.5 30.4     0                                 0          1      0

                     ID_15: positionnement
                     ID_20: détection de présence
                 Février 2013- Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"              13
Agenda
 Motivations
 Développements technologiques
 Installation chez PX Précimet SA
 Résumé et bilan
 Perspectives




           December 16, 2011 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"   14
Résumé
    “Over the coming decades, high-definition
     situationally-aware (HDSA) networks have the
     potential to create revolutionary applications in the
     social, scientific, commercial, and military sectors” *1+.

    Avantages de la technologie UWB pour LPS:
     Haute précision de positionnement
     Erreur de trajets multiples diminuée
     Pénétration d’obstacles (zones encombrées)
     Ultra-low power et low cost transceiver designs

[1] D. Dardari et al, “RangingWith Ultrawide Bandwidth Signals in Multipath Environments,” Proceedings of the IEEE | Vol. 97,
No. 2, 2009
Bilan
Ce projet de R&D a permis
 le développement et le déploiement d’une installation
  prototype – une plateforme technologiques pour
  guider les développements futurs ,
 l’élaboration d’une thèse de doctorat,
 de déposer des brevets et
 la réalisation de nombreuses publications.




            December 16, 2011 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"   16
Agenda
 Motivations
 Développements technologiques
 Installation chez PX Précimet SA
 Résumé et bilan
 Perspectives




            Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"   17
Axes technologiques
 Systèmes sans batterie (100 W)
 Intégration des antennes = passer à 25GHz+
 Transceiver (récepteur-émetteur)


 Miniaturisation (étude de faisabilité 0.5x1x1 cm3)
 Communication entre objets, avec communication de
  la position




             Février 2013- Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"   18
Applications
 Logistique, gestion des stocks: suivi en temps réel
  des objets dans une fabrication; localisation
  d’équipement
 Médical: surveillance de patients en promenade dans
  un hôpital; localisation d’équipement médical
 Sécurité: monitoring de personnes dans une zone
  sécurisée ou à risque (ex: plateforme pétrolière)
 Smart Buildings: sécurité; contrôle; repérage
 Robotique: inter-communication de leurs positions


            Février 2013- Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"   19
Merci de votre attention




          Février 2013- Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"   20

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PosLoc : un GPS de localisation Indoor

  • 1. PX POSLOC un système de positionnement local « INDOOR » Andreas Blatter, PX Group, La Chaux-de-Fonds andreas.blatter@pxgroup.com Cyril Botteron, EPFL ESPLAB, Neuchâtel cyril.botteron@epfl.ch
  • 2. Agenda  Motivations  Développements technologiques  Installation chez PX Précimet SA  Résumé et bilan  Perspectives Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 2
  • 3. Projet atypique  Projet ne visant pas un nouveau produit PX  Projet à long-terme  Projet hors des « core competences »  Stimuler l’innovation  Collaboration université – industrie  Contribuer au développement d’une nouvelle technologie avec de grands potentiels 3
  • 4. A quoi ça sert? Suivre un lot de fabrication à tout moment pour des raisons de:  Logistique (gérer les flux)  Sécurité (métaux précieux) Défis  Zones encombrées  Sans fil  Basse puissance, bon-marché, miniature  Précision de l’ordre de 10 cm December 16, 2011 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 4
  • 5. Quelle technologie? Hui Liu; Darabi, H.; Banerjee, P.; Jing Liu; , "Survey of Wireless Indoor Positioning Techniques and Systems," Systems, Man, and Cybernetics, Part C: Applications and Reviews, IEEE Transactions on , vol.37, no.6, pp.1067- 1080, Nov. 2007 Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 5
  • 6. UWB LPS – comment ça marche? 1) Distance measurement 3) Unknown time of transmission ToF=44ns 13.2m => Time difference of arrival (TDOA) Synchro Rx4 Rx2 A2 TO TO Synchro A4 Synchro TOA3 TOA 1 Synchro Rx3 Rx1 2) Time of Flight => Distance => Trilateration Top synchro Computer ToA1 Rx1 TDoA1 ToA2 Rx2 TDoA2 Transmit pulse ToA3 Time Rx3 Received pulse TDoA3 ToA4 Rx4 ToF1 ToF2 ToF3 ToF4 Tx3 Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 6
  • 7. Axes de développement  Emetteurs (TAGs): low cost + miniature + low power  ASIC transmetteurs  Design de petites antennes  Minimiser la consommation  LPS infrastructure: low cost + scalable + easy deployment + low power  Étape intermédiaire: récepteur programmable sur une plateforme de développement (not low cost!)  Développement de nouveaux algorithmes pour un déploiement grande échelle  Objectif final: ASIC émetteur-récepteur (transceiver) Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc"
  • 8. Agenda  Motivations  Développements technologiques  Installation chez PX Précimet SA  Résumé et bilan  Perspectives Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 8
  • 9. PX PosLoc Développements (2006-2011) 1) Application Specific Integrated Circuits (ASICs) 2) UWB receivers (custom PCB and COTS) UWB ASIC modulator & pulse UWB ASIC receiver building generator (CMOS 180nm) blocks (CMOS 180nm) 4) Control Centre Application (running on a PC) 3) UWB tags (custom PCB and ASIC+COTS) Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 9
  • 10. Agenda  Motivations  Développements technologiques  Installation chez PX Précimet SA  Résumé et bilan  Perspectives Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 10
  • 11. Installation chez PX Précimet SA RX TX Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 11
  • 12. Installation in PX Précimet SA  Cellules de positionnement (vert) et de détection de présence (rouge) couvrant la grande partie de la halle de fabrication avec 22 récepteurs. Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 12
  • 13. TAG mobile (émetteur) Récepteurs fixes Logfile date heure ID X (m) Y (m) x^2 y^2 # Recv Réf 20.01.2012 10:26:41 15 57.37 19.6 0.001453 0.000819 6 5 20.01.2012 10:28:43 20 45.5 30.4 0 0 1 0 ID_15: positionnement ID_20: détection de présence Février 2013- Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 13
  • 14. Agenda  Motivations  Développements technologiques  Installation chez PX Précimet SA  Résumé et bilan  Perspectives December 16, 2011 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 14
  • 15. Résumé  “Over the coming decades, high-definition situationally-aware (HDSA) networks have the potential to create revolutionary applications in the social, scientific, commercial, and military sectors” *1+. Avantages de la technologie UWB pour LPS:  Haute précision de positionnement  Erreur de trajets multiples diminuée  Pénétration d’obstacles (zones encombrées)  Ultra-low power et low cost transceiver designs [1] D. Dardari et al, “RangingWith Ultrawide Bandwidth Signals in Multipath Environments,” Proceedings of the IEEE | Vol. 97, No. 2, 2009
  • 16. Bilan Ce projet de R&D a permis  le développement et le déploiement d’une installation prototype – une plateforme technologiques pour guider les développements futurs ,  l’élaboration d’une thèse de doctorat,  de déposer des brevets et  la réalisation de nombreuses publications. December 16, 2011 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 16
  • 17. Agenda  Motivations  Développements technologiques  Installation chez PX Précimet SA  Résumé et bilan  Perspectives Février 2013 - Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 17
  • 18. Axes technologiques  Systèmes sans batterie (100 W)  Intégration des antennes = passer à 25GHz+  Transceiver (récepteur-émetteur)  Miniaturisation (étude de faisabilité 0.5x1x1 cm3)  Communication entre objets, avec communication de la position Février 2013- Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 18
  • 19. Applications  Logistique, gestion des stocks: suivi en temps réel des objets dans une fabrication; localisation d’équipement  Médical: surveillance de patients en promenade dans un hôpital; localisation d’équipement médical  Sécurité: monitoring de personnes dans une zone sécurisée ou à risque (ex: plateforme pétrolière)  Smart Buildings: sécurité; contrôle; repérage  Robotique: inter-communication de leurs positions Février 2013- Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 19
  • 20. Merci de votre attention Février 2013- Démonstration du système de positionnement "PXPosLoc" 20

Notes de l'éditeur

  1. LPS = local positioning system
  2. Final step:ASIC transceiver solution not reached yet within PX PosLoc !
  3. PCB=printed circuit board
  4. From: “Position Estimation via Ultra-Wide-Band Signals,” Proceedings of the IEEE | Vol. 97, No. 2, February 2009Some important applications of UWB WSNs can be exemplified as follows [2], [10], [11]:• Medical: wireless body area networking for fitness and medical purposes, and monitoring the locations of wandering patients in a hospital;• Security/Military: locating authorized people in high-security areas and tracking the positions of the military personnel;• Inventory Control: real-time tracking of shipments and valuable items in manufacturing plants, and locating medical equipments in hospitals;• Search and Rescue: locating lost children, injured sportsmen, emergency responders, miners, avalanche/earthquake victims, and firefighters;• Smart Homes: home security, control of home appliances, and locating inhabitants.