Estudo e aplicação de técnicas para redução de erros de localização utilizando transdutores de ultrassom

Abstract

Resumo : Este trabalho explora técnicas de trilateração e estratégias de compensação de erros, com foco em medições de distância obtidas por sensores de baixo custo, particularmente sensores ultrassônicos. Um Sistema de Trilateração utilizando sensores ultrassônicos HC-SR04 e microcontroladores ESP32 foi desenvolvido para determinar a posição de um alvo em um ambiente controlado. O sistema combina diversas técnicas para reduzir erros nas medições de distância e nos cálculos intermediários, com os resultados comparados àqueles obtidos sem essas melhorias. Um ambiente de software foi projetado para realizar trilateração, simular algoritmos e processar dados visando melhorar a precisão da localização. Testes iniciais avaliaram o desempenho e as limitações do sensor HC-SR04, revelando desafios como interferência entre sensores, mitigados por meio de um algoritmo otimizado de agendamento de medições. O sistema também aplicou técnicas de filtragem para aprimorar a precisão, incluindo uma média móvel simples (SMA) para dados brutos de distância e uma média móvel exponencial (EMA) para posições calculadas, alcançando uma redução de 91% no erro relativo para certos cenários. Comparações entre métodos de mínimos quadrados lineares e não lineares para resolver o sistema de equações em cenários de trilateração mostraram resultados semelhantes, com os mínimos quadrados lineares sendo eficazes quando combinados com técnicas adequadas de processamento de sinais. O sistema demonstrou bom desempenho para posicionamento bidimensional, mas apresentou imprecisões no terceiro eixo quando o alinhamento dos sensores não era preciso. O estudo destaca a importância do posicionamento dos sensores na trilateração, pois sensores mal dispostos (por exemplo, colineares) podem gerar sistemas singulares ou mal condicionados, comprometendo a precisão. O posicionamento otimizado dos sensores minimiza a sensibilidade ao ruído e garante soluções confiáveis, tornando-se um fator crítico no desenvolvimento de sistemas de trilateração robustos e econômicos. Este trabalho busca contribuir para tecnologias de localização acessíveis, abordando as limitações de sensores de baixo custo e oferecendo soluções práticas para aplicações em robótica, automação e IoT, onde a eficiência de custo é essencial.

Abstract : This work explores trilateration techniques and error compensation strategies, focusing on distance measurements obtained from low-cost sensors, particularly ultrasonic sensors. A Trilateration System using HC-SR04 ultrasonic sensors and ESP32 microcontrollers as developed to determine the position of a target in a controlled environment. The system combines multiple techniques to reduce errors in distance measurements and intermediate calculations, with results compared to those obtained without such enhancements. A software environment was designed to perform trilateration, simulate algorithms, and process data to improve positional accuracy. Initial tests evaluated the performance and limitations of the HC-SR04 sensor, revealing challenges such as interference between sensors, which were mitigated through an optimized measurement scheduling algorithm. The system also applied filtering techniques to enhance accuracy, including a simple moving average (SMA) for raw distance data and an exponential moving average (EMA) for calculated positions, achieving a 91% reduction in relative error for certain scenarios. Comparisons of linear and nonlinear least squares methods for solving the system of equations in trilateration scenarios showed similar results, with linear least squares proving effective when paired with appropriate signal processing techniques. The system demonstrated good performance for two-dimensional positioning but showed inaccuracies in the third dimension when sensor alignment was imprecise. The study highlights the importance of sensor positioning in trilateration, as poorly arranged sensors (e.g., collinear configurations) can lead to singular or poorly conditioned systems, compromising accuracy. Optimal sensor placement minimizes sensitivity to noise and ensures reliable solutions, making it a critical factor in developing robust and cost-effective trilateration systems. This work aims to contribute to affordable location technologies by addressing the limitations of low-cost sensors, offering practical solutions for applications in robotics, automation, and IoT, where cost-efficiency is essential.