High-accuracy real-time indoor localization systems for smart factory applications

Localization has become increasingly important for many services, from everyday applications to critical missions, where real-time high accuracy position outcomes are expected to be delivered. This thesis is focused on localization techniques for industrial applications, where emerging smart solutions are being deployed to increase company productivity and improve working conditions. In these complex environments, Global Navigation Satellite System (GNSS)-like infrastructures (e.g., Global Positioning System (GPS)) are prevented from being used due to the harsh conditions where Non Line-Of-Sight (NLOS) and multipath propagation are experienced. To overcome these problems, Real-Time Location Systems (RTLS) have been getting attention over recent years as they can be integrated in preexisting infrastructures and are capable of achieving high localization accuracy. Among the different technologies for RTLS, this thesis is focused to analyze and compare Ultra WideBand (UWB) and Radio Frequency Identification (RFID) solutions. The first one is mainly used for reliable, high accuracy localization/tracking purposes, while the second one is typically intended for asset/item identification. Starting from experimental analysis in laboratory (IoTLab, Politecnico di Milano), we then performed measurement campaigns at the premises of Pirelli Tyre S.p.A., evaluating the performances of Decawave, Sewio, Ubisense and Impinj devices. The experimental tests have been carried out within the collaboration of Politecnico di Milano, Pirelli Tyre S.p.A. and TELCO S.r.l., in the research project Total Efficiency 4.0 funded by Regione Lombardia under the grant POR-FESR 2014-2020. A goal of this thesis is to test the capability of UWB and RFID systems to precisely localize static assets as well as the ability to track them in motion. Another major thesis contribution is the development of an advanced tracking algorithm for precise localization that jointly tracks the moving terminal position and the signal propagating conditions (e.g., LOS or NLOS), still maintaining a reasonable computational complexity. The performances of the proposed algorithm are validated on the UWB experimental data.

La localizzazione è diventata estremamente importante per l'erogazione di numerosi servizi, sia in applicazioni quotidiane che critiche, dove sono richieste precisioni molto elevate e risposte in tempo reale. Questa tesi è focalizzata su tecniche di localizzazione in ambito industriale, dove soluzioni intelligenti stanno emergendo al fine di aumentare l'efficienza dei processi di produzione e migliorare la sicurezza sul lavoro. In questi ambienti complessi non è possibile usare sistemi satellitari (come il GPS) a causa del verificarsi di fenomeni di propagazione multicammino e di non visibilità (NLOS). Per ovviare a queste problematiche, negli ultimi anni si stanno diffondendo i sistemi di localizzazione in tempo reale (RTLS), che garantiscono integrazione con infrastrutture preesistenti e precisione molto elevata. Tra le diverse tecnologie RTLS, questa tesi, è incentrata sull’analisi e confronto di soluzioni Ultra WideBand (UWB) e Radio Frequency Identification (RFID). La prima è prevalentemente usata per ottenere stime di posizione affidabili e precise, mentre la seconda è più adatta per l’identificazione. Partendo da analisi sperimentali in laboratorio (IoTLab del Politecnico di Milano), in seguito sono state eseguite campagne di misurazione presso le strutture di Pirelli Tyre S.p.A, valutando le prestazioni dei dispositivi Decawave, Sewio, Ubisense e ImpinJ. I test sperimentali sono stati eseguiti grazie alla collaborazione tra Politecnico di Milano, Pirelli Tyre S.p.A. e TELCO S.r.l., all'interno del progetto di ricerca Total Efficiency 4.0, sovvenzionato dalla Regione Lombardia col finanziamento POR-FESR 2014-2020. È scopo della tesi testare le capacità dei sistemi UWB e RFID per localizzare oggetti sia statici che in movimento. Un altro contributo importante della tesi è lo sviluppo di un algoritmo avanzato di tracciamento per una localizzazione precisa, che combina informazioni di posizione con le specifiche condizioni di propagazione dei segnali radio (ad esempio, le condizioni LOS e NLOS), garantendo al contempo una ridotta complessità computazionale. Le prestazioni dell'algoritmo proposto sono validate utilizzando le misure acquisite nei test.