[PDF] Conception dun système dantennes pour la localisation en temps

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1

THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE GRENOBLE Spécialité : Optique et radiofréquences

Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée par

Evanaska Maria BARBOSA NOGUEIRA

Thèse dirigée par Fabien NDAGIJIMANA et

codirigée par Tan Phu VUONG préparée au sein du Laboratoire IMEP-LAHC dans l'École Doctorale Electronique, Electrotechnique,

Automatique et Traitement du Signal

Conception d'un système

d'antennes pour la localisation en temps réel avec réseau de capteurs sans fil

Thèse soutenue publiquement le

13.12.2013,

devant le jury composé de :

M. Robert STARAJ

Professeur au LEAT - Université Nice Sophia Antipolis

Mme Fouzia BOUKOUR

Chargé de Recherche (CR1) à IFSTTAR, Villeneuve d'Ascq

Rapporteur

M. Ke WU

Professeur à Ecole Polytechnique de Montréal, Rapporteur

M. Mauricio DIAS

Professeur à L'IME, Rio de Janeiro, Examinateur

M. Fabien NDAGIJIMANA

Professeur des universités, Grenoble, Directeur de thèse

M. Tan Phu VUONG

Professeur des universités, Grenoble, Co-directeur de thèse

M. Mathieu HUCHARD

Ingénieur, Torino, Co-encadrant

2 3 "Quando a gente acha que tem todas as respostas, vem a vida e muda todas as perguntas"

Luis Fernando Veríssimo

4 5

Remerciements

Je tiens tout d'abord à remercier mon directeur de thèse le professeur Fabien NDAGIJIMANA d'avoir accepté de diriger mes recherches. Sa participation active, l'intérêt particulier qu'il a porté envers mon projet de thèse et la confiance qu'il m'a accordée ont été primordiales durant cette étude Je tiens à remercier mon co-directeur de thèse Tan Phu VUONG, que je connais depuis 2007 et qui a fait toujours confiance à mon travail, pour son soutien continu, sa grande disponibilité et ses précieux conseils. Je remercie également mon co-encadrant Mathieu HUCHARD et je tiens à souligner la qualité et la pertinence de ses observations, sa grande rigueur scientifique et son investissement dans cette étude. Un grand merci à Nicolas Corrao et à Anthony Guiotto pour leur disponibilité et leurs compétences qui m'ont beaucoup aidé lors de mes manipulations, mes mesures RF et la construction de mon bloc en béton. Je remercie tous mes amis qui m'ont encouragé au cours des mois de rédaction, en particulier Ariana et Gustavo qui m'ont aidé et soutenu pendant ma période de rédaction à São Paulo. Je remercie également mes collègues de l'IMEP-LAHC : Vitor, Mauricio, Aline, Vincent, Flora, Marco, Marcus, Leonce, Karim, Pierre, Fatima... les permanents, post- doc, thésards et stagiaires pour la bonne ambiance de travail et les moments partagés. Je remercie chaleureusement ma famille, tout particulièrement mes parents Nogueira et Elisabeth, mon frère Markus, ma soeur Aluska, mon neveu João Davi et mon beau-frère Graham, qui malgré la distance m'ont toujours fortement soutenu. Pour terminer, je dédie ce manuscrit à mon amour Marcio. Il a su me soutenir et m'encourager dans les moments les plus difficiles et sait plus que quiconque les

problèmes rencontrés pendant la thèse. Il a également su se montrer patient et

compréhensif notamment pendant ces trois ans. 6

Table de matière

7

Table de matière Table de Figures .......................................................................................................................... 10

Table de Tableaux ....................................................................................................................... 13

Liste des acronymes .................................................................................................................... 14

Introduction Générale ................................................................................................................. 15

1. Etat de l'art des techniques et systèmes de localisation .................................................... 19

1.1. Introduction ................................................................................................................ 19

1.2. Principales méthodes de mesure de distance ou d'angles par ondes radios ............. 22

1.2.1. Identifiant de cellule (CID) ................................................................................... 22

1.2.2. Angle d'arrivée (AoA) .......................................................................................... 22

1.2.3. Temps d'arrivée (ToA) ......................................................................................... 23

1.2.4. Différentiel d'arrivée (TDoA) ............................................................................... 24

1.2.1. Technique basée sur les empreintes ................................................................... 25

1.2.2. Indicateur de puissance de signal reçu (RSSI) ..................................................... 25

1.2.3. Synthèse des techniques de radiolocalisation .................................................... 27

1.3. Algorithmes de localisation ......................................................................................... 28

1.3.1. Trilatération et multilatération ........................................................................... 28

1.3.2. Triangulation ....................................................................................................... 29

1.4. Exemples de systèmes de radiolocalisation ................................................................ 30

1.4.1. Positionnement par satellites ............................................................................. 30

1.4.2. RADAR ................................................................................................................. 32

1.4.3. Localisation en temps réel (RTLS)........................................................................ 33

1.4.4. Autres exemples de systèmes de localisation ..................................................... 33

1.5. Conclusion ................................................................................................................... 36

2. Scénario de propagation radio basée sur le RSSI ................................................................ 39

2.1. Introduction ................................................................................................................ 39

2.2. Environnement de propagation .................................................................................. 40

2.2.1. L'affaiblissement ................................................................................................. 40

2.2.1. L'effet de masquage ............................................................................................ 41

2.2.2. L'atténuation rapide ............................................................................................ 41

2.2.3. Récapitulatif des effets de la propagation sur la localisation basée en RSSI ...... 41

2.3. Cahier des charges pour une antenne optimisée au sens du scénario précédent. .... 42

2.4. Antennes pour les systèmes de localisation à 2.4GHz ................................................ 43

Table de matière

8

2.4.1. Dipôle .................................................................................................................. 43

2.4.2. Antenne hélice .................................................................................................... 45

2.4.3. Antenne à cavité céramique ............................................................................... 45

2.4.4. IFA et PIFA ........................................................................................................... 47

2.4.1. Antenne patch ..................................................................................................... 48

2.5. Conclusion ................................................................................................................... 50

3. Etude et caractérisation d'un système de localisation en temps réel (RTLS) basée sur RSSI

54

3.1. Introduction ................................................................................................................ 54

3.2. Cadre d'étude .............................................................................................................. 55

3.3. Simulation et caractérisation électromagnétique de la luciole avec antenne à cavité

céramique ............................................................................................................................... 57

3.4. Caractérisation en champs proche.............................................................................. 61

3.4.1. Plastique .............................................................................................................. 61

3.4.2. Verre .................................................................................................................... 63

3.4.3. Béton ................................................................................................................... 65

3.4.4. Métal ................................................................................................................... 67

3.4.5. Comparaison entre les supports ......................................................................... 70

3.5. Conclusion ................................................................................................................... 72

4. Solutions pour le cahier de charge : Plan réflecteur et multi-antennes. ............................ 74

4.1. Introduction ................................................................................................................ 74

4.2. Plan réflecteur ............................................................................................................. 75

4.2.1. Distance " D » entre le plan métallique et le boîtier .......................................... 77

4.2.2. Dimension du plan métallique ............................................................................ 78

4.2.3. Luciole sur un plan réflecteur posé sur un coin en béton ................................... 82

4.3. Solution multi-antennes .............................................................................................. 92

4.3.1. Multi-antennes et les méthodes de post-traitement ......................................... 92

4.3.2. PIFAs .................................................................................................................... 94

4.3.3. IFA+Patch ............................................................................................................. 98

4.4. Conclusion ................................................................................................................. 105

5. Evaluation des systèmes proposés en différents scénarios .............................................. 107

5.1. Introduction .............................................................................................................. 107

5.2. Scénario pour la solution avec plan réflecteur ......................................................... 108

5.3. Scénario pour la solution avec diversité d'antennes ................................................ 111

5.3.1. Scénarios en variant la distance d entre les tags .............................................. 116

Table de matière

9

5.3.2. Scénarios en variant les hauteurs des tags ....................................................... 119

5.4. Conclusion ................................................................................................................. 124

6. Localisation dans un environnement réel ......................................................................... 126

6.1. Introduction .............................................................................................................. 126

6.2. Présentation du scénario de mesure ........................................................................ 127

6.2.1. Vue d'ensemble ................................................................................................. 127

6.2.2. Déplacement du mobile .................................................................................... 128

6.3. Mesures ..................................................................................................................... 131

6.4. Comparaison des tous les systèmes .......................................................................... 135

6.5. Conclusion ................................................................................................................. 140

Conclusion Générale et Perspectives ........................................................................................ 142

Annexe A ................................................................................................................................... 144

A.1. Protocole de mesure ...................................................................................................... 144

A. 1.1. Matériel .................................................................................................................. 144

A. 1.2. Automatisation ...................................................................................................... 144

A.1. Calibration du gain ......................................................................................................... 145

A. 2.1. Gain de l'antenne ................................................................................................... 145

A. 2.2. Pertes dans le circuit d'alimentation ..................................................................... 146

A.3. Diagramme de rayonnement ......................................................................................... 147

A. 3.1. Diagramme ............................................................................................................. 147

A. 3.2. Repère .................................................................................................................... 147

A.4. Mesures ......................................................................................................................... 148

A.4.1.Coordonnées polaires .................................................................................................. 148

A.4.2. Coordonnées cartésiens ............................................................................................. 149

Table de Figures

10

Table de Figures Figure 1 - Principe de la méthode Cell-ID __________________________________________________ 22

Figure 2 - Localisation exploitant les AoA __________________________________________________ 23 Figure 3 - Exemple d'un système ToA _____________________________________________________ 23 Figure 4 - Localisation avec TDoA ________________________________________________________ 24

Figure 5 - Localisation par trilatération à partir de trois mesures RSSI des références 1, 2 et 3. _______ 26

Figure 6 - Echelle et résolution pour chaque méthode de radiolocalisation _______________________ 28

Figure 7 - Principe de la trilatération ______________________________________________________ 29

Figure 8 - Principe de la triangulation : (a) Localisation à distance (b) Auto-localisation _____________ 29

Figure 9 - Diagramme fonctionnel d'un radar _______________________________________________ 32 Figure 10 - Effets du canal de propagation _________________________________________________ 41

Figure 11 - Répartition du courant le long d'un dipôle ________________________________________ 44

Figure 12 - Antenne monopôle __________________________________________________________ 44 Figure 13 - Antenne Hélice ______________________________________________________________ 45

Figure 14 - Antenne à cavité céramique ___________________________________________________ 45

Figure 15 - Exemple d'antennes à cavité céramique _________________________________________ 46

Figure 16 - Structure de l'antenne IFA _____________________________________________________ 47 Figure 17 - Antenne PIFA élémentaire _____________________________________________________ 48 Figure 18 - Configuration d'antennes patch triangulaire avec fentes ____________________________ 49 Figure 19 - Solution Fireflies pour la localisation ____________________________________________ 56

Figure 20 - Simulation de l'antenne à cavité céramique + PCB + pile_____________________________ 58

Figure 21 - Boîtier en plastique de la luciole (a) réel (b) et (c) simulé ____________________________ 59

Figure 22 - Comparaison des diagrammes de rayonnement en simulation de la luciole _____________ 59 Figure 23 - Comparaison de diagrammes de rayonnement entre simulations et mesure ____________ 60 Figure 24 - |S11| en dB de la luciole en simulation __________________________________________ 60 Figure 25 - Luciole placée avec un support en plastique de 250mm x 250mm x 20mm ______________ 61 Figure 26 - S11 en dB obtenu avec le support en Plastique ____________________________________ 62

Figure 27 - Luciole avec un support en Verre de 250mm x 250mm x 20mm et ses caractéristiques ____ 63

Figure 28 - S11 en dB obtenu avec le support en Verre _______________________________________ 64

Figure 29 - Luciole avec un support en béton de 250mm x 250mm x 20mm et ses caractéristiques ____ 66

Figure 30 - S11 en dB obtenu avec le support en béton _______________________________________ 66

Figure 31 - Luciole avec un support en métal de 250mm x 250mm x 20mm et ses caractéristiques ____ 68

Figure 32 - S11 en dB obtenu avec le support en métal _______________________________________ 68 Figure 33 - Conservation d'énergie dans une antenne ________________________________________ 71

Figure 34 - Représentation de l'effet de la réflexion __________________________________________ 75

Figure 35 - Représentation de l'effet de la diffraction ________________________________________ 76

Figure 36 - Système avec plan métallique + luciole (a) vu supérieur avec paramètres (b) vu en perspective

___________________________________________________________________________________ 76

Figure 37 - S11 en dB avec la variation de la distance entre le boîtier et le plan métallique "D" _______ 77

Figure 38 - Diagramme de rayonnement 2D avec la variation de la distance entre le boîtier et le plan

métallique "D" : (a)Plan XoY (b) Plan XoZ __________________________________________________ 77

Figure 39 - Diagramme de rayonnement 2D avec la variation de la taille du plan métallique carré (a)Plan

XoY (b) Plan XoZ ______________________________________________________________________ 78

Figure 40 - Nouvelle position du boîtier par rapport au plan métallique pour optimisation de taille ___ 79

Figure 41 - Diagramme de rayonnement 2D avec la variation optimale de la dimension "B" du plan

métallique avec "A" = 120mm et "D" = 0 sur les (a)Plan XoY et (b) Plan XoZ ______________________ 80

Figure 42 - Version finale du dimensionnement du plan métallique après optimisation _____________ 80

Table de Figures

11

Figure 43 - Diagramme de rayonnement 3D de la version finale du dimensionnement du plan métallique

___________________________________________________________________________________ 81 Figure 44 - Diagramme de rayonnement 2D sur les plans XoY et XoZ de la version finale du dimensionnement du plan métallique _____________________________________________________ 81

Figure 45 - Luciole sur en plan métallique posé sur un coin de mur ______________________________ 82

Figure 46 - Diagramme de rayonnement en 2D en fonction de la distance entre la luciole et un coin de mur. _______________________________________________________________________________ 83

Figure 47 - Gain Maximale du système avec différentes distances "G" pour "A" =120mm et "B"=80mm83

Figure 48 - Diagramme de rayonnement 2D du système complet _______________________________ 84 Figure 49 - Diagramme de rayonnement pour comparaison entre l'épaisseur du mur ______________ 84

Figure 50 - Position de la luciole par rapport au plan réflecteur ________________________________ 85

Figure 51 - Diagramme de rayonnement pour comparaison de la position de la luciole _____________ 85

Figure 52 - Scénario de la mesure de diagramme de rayonnement dans la chambre anéchoïde ______ 86

Figure 53 - Gain de l'antenne cornet. La ligne verticale rose représente la fréquence de mesure de notre

dispositif. ___________________________________________________________________________ 88 Figure 54 - Support en bois pour les mesures de diagramme de rayonnement ____________________ 88 Figure 55 - Système de mesure en chambre anechoïde _______________________________________ 89

Figure 56 - Analyse de l'influence du plan métallique sur le diagramme de rayonnement quand le système

est posé sur un coin en béton ___________________________________________________________ 91

Figure 57 - Principe du post-traitement de sélection mis en oeuvre pour traiter le niveau de puissance en

réception par l'effet de la diversité d'antennes. _____________________________________________ 93

Figure 58 - Dimensions des antennes PIFAs (a) latérales et (b) supérieure ________________________ 95

Figure 59 - Antennes PIFAS fixées sur le boîtier en plastique ___________________________________ 95

Figure 60 - Vues du système 2 IFAs + Patch ________________________________________________ 98 Figure 61 - Dimensions de chaque antenne du système IFA + Patch _____________________________ 99

Figure 62 - Antennes IFA + Patch avant pliage (Conformation à plat) ____________________________ 99

Figure 63 - Mesure du paramètre S de chaque antenne du système plat ________________________ 100

Figure 64 - Système IFAs + Patch. Conformation avec substrat plié. ____________________________ 100

Figure 65 - Mesure du paramètre S de chaque antenne du système plié sans boîtier ______________ 101

Figure 66 - Système d'antennes conformé et plié dans le boîtier _______________________________ 101

Figure 67 - Scénario trajet direct 2D _____________________________________________________ 108 Figure 68 - Scénario trajet direct 3D _____________________________________________________ 109

Figure 69 - Estimation de la distance référence-mobile lorsque le mobile se déplace sur la trajectoire. 110

Figure 70 - Configuration de scénario avec multi-trajets _____________________________________ 111

Figure 71 - Composants des champs E avec les angles de projection des champs dus aux trajets réfléchis

par rapport au champ E du trajet direct __________________________________________________ 112

Figure 72 - Loi de Snell pour le champ électrique polarisé perpendiculairement (a) et parallèlement (b) au

plan d'incidence _____________________________________________________________________ 114 Figure 73 - Scénario de mesure _________________________________________________________ 127

Figure 74 - Photo panoramique du scénario de mesure (couloir de l'IMEP) ______________________ 128

Figure 75 - Robot RP6 utilisé pour faire les déplacements des antennes tag _____________________ 128

Figure 76 - Robot RP6 + support en carton + tags __________________________________________ 130 Figure 77 - Programmation du déplacement du robot RP6 en langage C ________________________ 131 Figure 78 - Tableau avec les valeurs de RSSI pour chaque mesure _____________________________ 132 Figure 79 - Tableau initial du post traitement des mesures ___________________________________ 133 Figure 80 - Tableau final du post traitement des mesures ____________________________________ 134 Figure 81 - Antennes PIFAs fixées au support en carton ______________________________________ 136

Figure 82 - Antennes IFAs + Patch fixées au support en carton________________________________ 138

Figure 83 - Schéma du bilan de liaison. ___________________________________________________ 145 Figure 84 - Mesure de la puissance pour la calibration ______________________________________ 146

Table de Figures

12

Figure 85 - Convention de repère utilisé pour l'orientation des lucioles _________________________ 147

Figure 86 - Convention de repère utilisé pour l'orientation des lucioles boitier____________________ 148

Table de Tableaux

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