Onbekende omgevingen verkennen met echolocatie
Afstand en locatie in kaart brengen zonder gebruik van gps
Veel ondergrondse met vloeistof gevulde omgevingen zijn moeilijk toegankelijk voor mensen, denk bijvoorbeeld aan diepe ondergrondse oliebronnen of waterdistributiesystemen. Zelfs met moderne geavanceerde technologieën is het lastig om deze gebieden in kaart te brengen. Het PHOENIX-project ontwikkelde een zwerm sensorknikkers om deze onbekende omgevingen te verkennen. Promovendus Gönenç Berkol werkte aan echografische communicatie tussen deze balletjes, een ingenieuze manier om de afstand en locatie in kaart te brengen zonder gebruik van gps. Berkol verdedigt op 24 februari zijn proefschrift bij de faculteit Electrical Engineering.
De ontwikkelde sensorknikkers zijn kleine balletjes met daarin wat korte draadjes en kleine computerchips. Ze stromen door met vloeistof gevulde leidingen om verstoppingen en lekken op te sporen, of om een leidingnetwerk in kaart te brengen. De ballen worden aan het begin van het pijpleidingsysteem handmatig in de vloeistof losgelaten. Ze drijven dan passief met de stroom mee totdat ze vanzelf weer naar buiten komen, waarna de onderzoekers de opgeslagen gegevens kunnen uitlezen. De ballen voeren onderweg metingen uit voor de vooraf gevraagde relevante parameters. De gegevens slaan ze intern op.
Om een topologische kaart van de omgeving te kunnen reconstrueren, moeten de knikkers op elk punt onderweg gelokaliseerd kunnen worden. En gps werkt niet in deze met vloeistof gevulde ondergrondse omgevingen. Berkol: “De knikkers moeten volledig autonoom werken. Tijdens hun ondergrondse tocht is er geen contact mogelijk met het basisstation. Daarom is de communicatie tussen de knikkers en het continu meten van hun onderlinge afstand cruciaal. Door het gebruik van echolocatie om te communiceren, wisten we de vloeibare omgeving juist naar onze kracht om te buigen.”
Gelimiteerde ruimte
Maar zelfs met echografie is het nog steeds erg complex om continu de afstand tussen de knikkers te meten. De balletjes opereren in een ingesloten watervolume, ze botsen met de wanden van de buis en met elkaar, en het pijpleidingsysteem vertakt zich ook nog eens af en toe. Dit alles heeft invloed op de echo's die via echografie worden gedetecteerd. Bovendien zijn de knikkers erg klein, en is de beschikbare elektronica dus erg gebonden aan deze gelimiteerde ruimte.
Om deze problemen op te lossen, legde Gönenç Berkol zich toe op het systeem- en hardware-ontwerp van de zwerm knikkers. Hiervoor ontwikkelde hij zogenoemde Frequency-Division Duplexing (FDD) en Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) gebaseerde ultrasone afstandsmethoden. Op basis van deze benadering gebruiken de knikkers twee verschillende ultrasone ontvangers die tijdens hun verkenning zijn afgestemd op geïsoleerde frequentiebanden. Berkol: “De knikkers zijn daardoor in staat de echo’s van andere knikkers te scheiden van die van henzelf. Deze op FDD-FMCW gebaseerde afstandsmetingen pakken de problemen rondom botsingen en vertakkingen aan, zonder daarbij alle knikkers in de zwerm met elkaar te hoeven synchroniseren."
Berkol heeft drie chips ontworpen, geïmplementeerd en experimenteel getoetst. De eerste chip bereikt een ultramoderne gevoeligheid (-81,6dBm) en energie-per-bit (51,18nJ/b) voor een ultrasone ontvanger. De tweede chip bevat een ultra-low-power-ontvanger, die werkt op een totaal stroomverbruik van slechts 23,6 nW en tegelijkertijd de beste ‘Figure-of-Merit’ (FoM) behaalt in de huidige systemen. De derde chip bestaat uit een energiezuinige ultrasone zender (TX) die meer dan 30% energie bespaart op de totale capaciteit van de ultrasone ontvangers. Door de drie chips te combineren, wist Berkol de samenwerking tussen verschillende ultrasone afstandsmethoden experimenteel te demonstreren.
Titel van het proefschrift: Architecture and IC Implementation of Ultrasound Communication and Rangefinder Systems for Sensor Swarms. Promotoren: Eugenio Cantatore en Pieter Harpe. Het phoenix-project is nu afgerond, bekijk hier de video van de workshop ter afsluiting, waarin ook Berkol zijn onderzoek presenteert (vanaf 1:46:00).