Enhanced out of boundary uwb based localization for industrial digital twins
Endüstriyel dijital ikizler için alıcı alanın dışında uwb tabanlı konumlandırma iyileştirmesi
- Tez No: 959136
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN SEÇİNTİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 65
Özet
Endüstri 4.0, büyük veri analizi ve gerçek zamanlı analizler sayesinde geleneksel endüstrilerdeki ezberleri değiştiriyor. Değişim sadece üretim hatlarında değil lojistik ve sağlık gibi diğer sektörlerde de kendini gösteriyor. Daha gelişmiş sistemler ve daha iyi analizler sayesinde işletmeler daha kârlı ve verimli hâle geliyorlar. Bu dönüşümün temelinde Endüstriyel Nesnelerin İnterneti, Büyük Veri Analizi ve gelişen gerçek zamanlı konumlandırma teknolojileri yatıyor. Bu teknolohileri harmanlayan şirketler, veri dayalı insan müdahalesine ihtiyaç duymayan veya en aza indiren sistemler oluşturuyor. Endüstri 4.0'ın en önemli parçalarından birisi olan Dijital İkiz (Digital Twin) teknolojisi, fiziksel dünyada bulunan cihazların ve kişilerin, süreçlerin dijital kopyalarını yaratır ve gelecek olası senaryolar içim simule eder. Bu simulasyon senaryoları acil durumlarda insanların eğitiminde ve acil durum protokollerin geliştirilmesinde kullanılır. Bir üretim bandının simülasyonları ise verimliliği arttırmak için incelenebilir. Dijital ikizlere, Endüstriyel nesnelerin interneti sayesinde gerçek zamanlı sistem takibi de eklenebiliyor. Endüstriyel nesnelerin interneti üretimde bulunan makineleri, forkliftleri, paletleri ve insanları takip edip bu verileri gerçek zamanlı olarak dijital twine aktarabiliyor. Gerçek zamanlı veri analizleri sayesinde anlık olarak toplanan bu verilerden otomatik kararlar alınabilir veya insan müdahalesi en aza indirilebilir. Dijital ikiz ve Endüstriyel nesnelerin interneti ile entegre olmuş bir üretim yerinde, üretim makineleri titreşim sensörleri ile takip edilip üretim esnasında üretilen üründe bir yanlışlık olup olmadığını ya da üretim cihazlarının bakıma ihtiyacının olup olmadığını takip edebilir. Hatta üretim makinelerinin titreşimlerini takip ederek bakım zamanları tahmin edilip ve gelecek olası arizalar öngörülebilir. Bu arızaların üretimi aksatmasına engel olunur. Aynı zamanda üretim makinesinin ne zaman yanlış bir üretim yaptığını belenip üretim ve ürün kalitesini arttırılır. Bunun yanında üretim yerindeki forkliftlerin ve çalışanların gün içerisinde izledikleri rutinleri takip edip, sonuncunda büyük veri analiziyle forkliftlerin ve insanların hareketlerini ve rutinlerini, üretimi ve üretimin kalitesini arttırmak için daha iyi rutinler ve yollar sunmada kullanılır. Üretimde bulunan forklift ve insanların davranışlarını takip edebilmek için gerçek zamanlı konumlandırma sistemleri kullanılır. Bu sistemler genellikle kablosuz haberleşme ağları üzerinden yapılır. Bunlara en güzel örnekler arasında WiFi, Bluetooth ve Ultra Wide-band teknolojileri vardır. Gerçek zamanlı konumlandırma sistemlerinin diğerlerinden ayıran güçlü ve zayıf yönleri vardır. Bunlardan ilki Wi-Fi'dır. Wi-Fi konumlandırma sistemlerinde genellikle sinyal gücü üzerinden konumlandırma gerçekleştilir. Bu method ilk jenerasyon konumlandırma servislerinde çok kullanılsa da günümüzde popülerliğini yitirmiştir. Bunun en büyük nedenlerinden bazıları ise Wi-Fi ile çalışan sistemlerin diğer sistemlere göre daha çok güç tüketmesidir. Özellikle mobil olan verici ve alıcı cihazlar batarya üzerinden çalışırlar. Bu cihazların muadillerine göre daha sık şarj edilmeleri gerekir. Bu da sistemin kapalı kalması ya da gereğinden daha fazla mobil cihaza gereksinim duyması demektir. Bluetooth konumlandırma çözümleri ise bahsedilen ve günümüzde popüler olan bir diğer sistemdir. Muadillerine göre daha az güç tüketen bu sistemlerin mobil cihazları bir pil veya batarya ile aylar boyunca çalışabilir. Bu cihazlar hala günümüzde en çok kullanılan sistemlerdendir. Alıcı ve verici maaliyetlerinin düşük olması sebebiyle diğer yaklaşımların önündedir. Ama bir çok yeni endüstri uygulamasına göre bu sistemler yeterince doğru konum bulamamakta olup bütün sistemlerin verimliliğini etkiler. Ultra Wide-band konumlandırma sistemleri, hassas konumlandırma ihtiyacı olan dijital twin sistemlerinde, doğruluğu sayesinde diğer sistemler arasında daha çok tercih edilebiliyor. Güç tüketiminin az olmasıyla pil veya batarya ile çalışan mobil cihazlarda daha uzun çalışma saatleri sunuyor. Bu sayede bir dijital ikiz uygulamasında konumlandırma doğruluğu ve uzun kullanım süreleriyle sistemin verimliliğini attırıyor. Ayrıca hem çalışan hem de işveren için daha güvenli çalışma ortamlarına olanak sağlıyor. Konum tahminlerindeki doğruluğu sebebiyle bu araştırma UWB temelli sistemleri temel alan algoritmaları tercih edildi ve onlar üzerinde odaklanıldı. UWB haberleşme protokolünü kullanarak gerçekleştirelen konumlandırma çözümlerinde bir çok yaklaşım ve çeşitli algoritma bulunmaktadır. En yaygın olan algoritmalar merkez cihaz ve mobil cihaz arasındaki uzaklığa göre mesafe bulma (Two Way Ranging), gelen sinyalin açısına göre konumlandırma (Angle of Arrival) ve gelen sinyalin farklı alıcılara geldiği zamanların farklarına göre konumlandırma (Time Difference of Arrival) olarak sıralanabilir. Two Way Ranging methodu merkez-sabit ve mobil cihaz arasında sinyallerin karşılıklı gönderilmesi, bu sinyallerin uçuş zamanlarının hesaplanmasıyla gerçekleşir. Öncelikle her sistemde ilk sinyal gönderimini yapacak bir cihaz seçilir. İlk cihaz bir mobil cihaz ya da merkez cihaz da olabilir. Alıcı cihaz gönderilen ilk sinyalin antenine geldiği zamanı tutar, ve kendisinin analog front-end, back-end işleme sürelerini de katıp sinyalin anteninden çıkacağı zamanı hesaplar. Gönderdiği sinyalde bu zaman bilgisini de karşı taraf ile paylaşır. Bu işlem sonuncunda ilk sinyal gönderen cihazda, elektromanyetik sinyalin yol aldığı süre ve ortamdaki hızı kullanılarak 2 cihaz arasındaki uzaklık hesaplanır. Bu işlem çevredeki bütün cihaz çiftleri için yapılarak cihazların arasındaki bağımlı uzaklıklar bulunur. Bulunan uzaklıkları kullanarak konumlandırma algoritmları çalıştırılıp mobil cihazın konumu tahmin edilebilir. Yöntemde merkez cihazların kendi arasında ya da mobil cihazlarla senkronize olması gerekmemektedir. Ama 2 boyutlu bir düzlemde çalışan konumlandırma algoritmaları için 3 uzaklık bilgisi gerekiyor ve 3 uzaklık bilgisi 6 sinyal üzerinden hesaplanır. Bu algoritmanın bir mobil cihaz için haberleşme ağını 6 kere kullanması gereken bu algoritma, özellikle çok cihazlı büyük haberleşme ağlarında elektromanyetik girişime ve ağın bant genişliğinin yetmemesine sebebiyet verebilir. Angle of Arrival algoritması ile çalışan sistemlerde, gelen sinyalin açıları ve açıların kesişimleri kullanılarak vericinin yeri saptanır. Bu sistemde genelde alıcılar merkez cihaz olarak, vericiler ise mobil cihazlar olarak tanımlanırlar. Alıcı cihazlarda sıralı anten sistemleri kullanılır. Bu sayede antenlere gelen bir sinyal hangi antene ne kadar önce geldiğine bakılarak başka bir deyişle gelen sinyalin antenler arasındaki faz farklarına bakılarak gelen sinyalin yönü hesaplanır. Sıralı anten tasarımlarına göre gelen sinyalin açısı 2 boyutta ya da 3 boyutta hesaplanabilir. Böylece verici cihazdan gönderilen bir sinyal ile alıcılarda hesaplanan açıların kesişimleri kullanılarak mobil cihazın konumu tahmin edilebilir. Ama bu yöntemde yeralan sıralı anten tasarımının karmaşıklığı ve maaliyetleri, kullanılacak alıcı ve verici yarıiletkenlerin maaliyetleri oldukça yüksektir. Time Difference of Arrival(TDoA) algoritması alıcılara gelen sinyalin geliş zamanlarının farklarından yola çıkarak hesaplanan hiperbolleri kullanır. Hiperbollerin kesişiminleri ile verici cihazın konumunu tahmin eder. Bu yöntemde merkez cihazlar alıcı ve mobil cihazlar verici olarak görev alırlar. Bütün alıcı-merkez cihazların kendi içlerinde senkronize olmaları gerekmektedir. Böylece gelen sinyallerin farkları aynı baz üzerinden hesaplanabilsin. Bu sistemlerdeki zorlayıcı meselelerden biri de bu senkronizasyonu yapabilmektir. Senkronizasyonu sağlayabilmenin 2 yolu vardır. İlk yol bütün alıcıların aynı zaman düzlemini paylaşmasıdır. Bütün alıcıların merkez bir referans sinyaline bağlı çalışması gerekir. Bu alıcı cihazlar arasında referans zaman sinyallerinin yükselen kenarlarının alıcılara aynı anda gelmesi ve bütün alıcılarının bu referans sinyaline göre sinyal işlemesi anlamına gelir. Zamanlama hassasiyeti için merkez zaman sinyali üreten cihazdan alıcılara kadar olan yollarda geçen iletim gecikmesi hesaplanır ve bu gecikmeler eşitlenmesi için merkez zaman sinyalinin farklı kanallarına farklı sinyal geciktirme blokları eklenebilir. Bu yöntem ciddi zaman sinyali dağıtıcı sistemleri sayesinde gerçeklebilir. Bu sistemler oldukça pahalı ve geliştirmesi kompleks sistemlerdir. Bu yüzden 2. yöntem yanii kablosuz olarak senkronizasyon tercih edilebilir. Kablosuz senkronizasyonda ise cihazların kendi içerisinde bulunan zaman kristallerinin hata yüzdeleri bulunmaktadır. Bu hatalar kablosuz bir şekilde senkron olmuş alıcı cihazların zamanla senkronizasyonun bozulmasına neden olur. Bu nedenle alıcı cihazlarının belli aralıklarla kablosuz olarak senkton olması gerekmektedir. Bu araştırmada kablosuz senkronizasyonun neden olduğu bu zaman kaymalarını 1 ns içerisinde normal dağılım yapacak şekilde alıcı cihazların sinyal geliş zamanlarına eklendi. Gelen sinyallerinden farklarından hiperboller hesaplanıp bu hiperbollerin kesişimlerinden ise verici cihazın yeri farklı yöntemlerle de eklenerek tahmin edildi. Bu yöntemler 2 gruba ayrılabilir. Klasik yöntemler sırasıyla, bütün hiperbolleri kullanarak konum tahmini, en küçük varış zamanları ile oluşturulan 3 hiperbolu ile konum tahmini, gerçek konumu ve hiperbollerin uzaklıklarını karşılaştırıp en yakın 4 hiperbolu kullanarak konum tahmini ve oluşan hiperbolleri alıcı alanının ortasına olan uzaklıklarına göre sıralayıp en yakın 4 hiperbol ile konum tahmini gerçekleştirilmesi şeklinde sıralanabilir. Bu araştırmada önerilen ilk yöntem ağırlıklı hata yönetimi olarak adlandırılıyor. Alıcı ve verici cihazlar üzerinden üretilen uzaklık farklılıklarının küçük kareler yönetiminde optimize edilen hataya birer kat sayı olarak eklendiği bu yöntem, uzaklık farkları küçük olan hiperbollerin öneminin artmasını sağlıyor. Bu yöntem ile geometrik olarak daha doğru sonuç vermesi beklenen hiperbollerin etkisi arttırılmış oluyor. Klasik yöntemlere kıyasla bu yöntem sayesinde tahmin edilen konumlardaki istikrarın ve doğruluğun arttığını gözlemliyoruz. Bu araştırmada ikinci önerilen yöntem ise hiperbol seçimi. Hiperbollerin Özellikle alıcı alanın dışında geometrik olarak stabil hiperboller arasından seçilmesi önemli bir etkendir. Bu çalışmada önceden simule edilen alanı 5mx5m parçalara bölüp her bir alan için o alanda en iyi sonuçlar veren hiperbol çifti kaydedilmiş. Daha sonra bu hiperbol çiftinin performansı diğer yöntemlerle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar bize hiperbol seçme algoritması ağırlıklı hata yöntemi kadar iyi sonuç vermese de diğer klasik yöntemlerin birçoğuyla aynı doğrulukta verici konumunu tahmin edebildiğini ve rakiplerine kıyasla çok hızlı bir şekilde yapabildiğini göstermiştir. Bu iyileşmenin özellikle çok vericili büyük dijital ikiz uygulamalarında işlem gereksinimlerini ciddi bir biçimde düşürdüğünü gözlemliyoruz. Sonuç olarak, önerdiğimiz UWB TDoA ağırlıklı hata algoritması bahsi geçen diğer algoritmalara karşı özellikle orta alanda daha iyi sonuçlar verdi. Bir diğer önerilen hiperbol secme algoritması ise hata oranını çok arttırmadan işlem hızını 10 kat hızlandırdı. Gerçek bir uygulamada bu iki algoritma beraber kullanılabilir. Ağırlıklı hata yöntemi ile başlayıp vericinin hangi alanda bulunduğu anlaşılıp daha sonrasında daha hızlı konum bulmak için hiperbol seçme algoritması tercih edilebilir.
Özet (Çeviri)
By combining data-driven decision-making, advanced analytics, and real-time analysis, Industry 4.0 is fundamentally transforming traditional industrial processes. Change starts from manual systems to connected and intelligent edge device networks that can respond to dynamic parameters. This revolution changes many sectors like manufacturing, logistics, and healthcare improving productivity and efficiency. The fundamentals of this industrial revolution are based on many cutting-edge technologies. The Industrial Internet of Things (IIoT) provides communication between machines and systems by enabling continuous data flow. Big Data analytics finds meaningful insights from large datasets. Furthermore, wireless communication technologies, such as Bluetooth(BLE), WiFi and Ultra-Wideband (UWB), offer low-latency data transmission required to support real-time applications and asset tracking solutions. Another important concept in Industry 4.0 is the Digital Twin. A Digital Twin is a digital representation of a physical object or system. Digital Twins(DT) are dynamic, continuously updated through data flows from real-world twins. Digital Twins creates a synchronized environment where people can monitor processes in real time, simulate possible scenarios, and predict possible maintenance operations. Therefore, Digital Twins are very important tools for enhancing performance and anticipating failures before they occur. The power of Digital Twin technology significantly increases together with localization systems. Ultra-Wideband (UWB) technology is a good companion technology with DT, becuase UWB offers centimeter-level precision in indoor where other positioning systems like GPS fall short. UWB uses pulses over a wide frequency spectrum, making it resistant to interference and highly accurate. Time Difference of Arrival (TDoA) algorithm is one of the most popular among the many localization methods. TDoA estimates the position of a transmitter by calculating the differences in signal arrival times. All receiver devices should be synchronized to achieve these time differences. It requires only one signal from the transmitting device, which reduces power consumption and simplifies the hardware requirements. TDoA is particularly effective in real-time applications where low latency and high update rates are critical. When UWB-based TDoA localization is integrated into Digital Twin systems, it strengthens the DT capabilities. Since TDoA require less signal to calculate a position for a transmitter device, this reduces to bandwidth usage for each device. Thanks to TDoA based UWB, one network can support more transmitter devices. This work focuses on advancing TDoA-based position estimation by addressing key challenges that arise in practical scenarios. One significant issue occurs when transmitters are located outside the geometric boundaries formed by the receiver nodes. In such cases, traditional localization algorithms can suffer from degraded accuracy and increased computational costs. To overcome these issues, this study introduces optimization techniques such as error weighting and hyperbola selection. Error weighting assigns different levels of importance to measurements based on their estimated reliability. Error weighting aims to achieve more reliable and accurate estimation of the transmitter device. which is outside the region of the receiver devices. Hyperbola selection involves choosing the most informative and geometrically correct hyperbolic curves generated by the TDoA measurements, which enhances the stability and reduce the computational costs of the localization process. To achieve this, the simulation map was divided into equal regions of 5 m × 5 m. For each area, best hyperbola pairs have been selected. These best hyperbola pair were used to solve the TDoA equations. This reduced the computational costs greatly. Because this approaches removes most of the hyperbolas that are geometrically hard to intersect each other, which increases the errors and computational time. Finally, all methods were compared, and simulated error heatmaps were created and a comparison table for inner, middle and outer areas of the simulated map. Weighted error method has increased the stability and correctness on the estimated transmitter location compared to classic approaches. On the other hand, Hyperbola Selection drastically reduced the computational cost while maintaining accuracy.
Benzer Tezler
- Zemin mühendisliğinde gerilme şekil değiştirme davranışının sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmesi
Stress-strain analysis by finite element method in geotechnical engineering
ELİF YILMAZ
- Taban malzeme ile emaye kaplama arasındaki difüzyon mekanizmasının araştırılması ve düşük metal migrasyonuna sahip emaye geliştirilmesi
Investigation of diffusion mechanisms at substrate enamel interface and development of new enamel surface with low metal migration
ÖZGE IŞIKSAÇAN
Doktora
Türkçe
2020
Besin Hijyeni ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL
- Volgram ağır alaşımlarında başlangıç toz özelliklerinin sıvı gaz sinterlemesi yoluyla yoğunlaşma süreçlerine olan etkileri
Effects of initial powder characteristics on densificatıon processes via liquid-phase sintering in based heavy alloys
BURAK ÖZKAL
- 90° dönüşlü kanal içi akışta sınır tabakası bariyeri etkisinin sayısal akışkanlar dinamiği (SAD) ile incelenmesi
Analysis of boundary layer fence effect on a 90° turning duct flow by computational fluid dynamics (CFD)
HAKAN TEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Enhancement of plasmonic nonlinear conversion and polarization lifetime via fano resonances
Doğrusal olmayan plazmonik çevirim ve polarizasyon yaşam süresinin fano rezonaslar ile güçlendirilmesi
BİLGE CAN YILDIZ KARAKUL
Doktora
İngilizce
2017
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPAN BEK
DOÇ. DR. MEHMET EMRE TAŞGIN