L'étude de la propagation d'ondes acoustiques ou vibratoires dans un environnement nécessite un grand nombre de capteurs, accéléromètres ou microphones, fonctionnant de concert pour mesurer des séries temporelles de données à différents points de l'espace.
Des solutions intégrées existent, mais reposent sur une architecture filaire peu extensible ou adaptable aux nouveaux besoins, tels que les déploiements très temporaires.
À l'inverse, l'instrumentation sans fil permet une grande flexibilité, mais apporte avec elle de nouveaux enjeux : où sont les capteurs dans l'espace ? et comment réaligner temporellement les séries de données mesurées par chacun ?
Les travaux conduits dans cette thèse s'articulent donc autour de la problématique de la synchronisation et de la localisation d'équipements de mesure sans fil, dans le but de caractériser le comportement d'environnements complexes.
Ces capteurs peuvent être nombreux, densément répartis, ou subir des perturbations de l'environnement.
Dans ce cadre, les méthodes de synchronisation et localisation sans fil existantes nécessitent des compromis entre précision, facilité de déploiement et résistance aux aléas de l'environnement.
Afin de combler cette limitation, nous proposons dans cette thèse d'aborder les deux questions avec une même philosophie : utiliser des formes de collaboration entre les nœuds du réseau pour améliorer les performances sous divers angles.
Dans un premier temps, nous présentons une nouvelle méthode de synchronisation distribuée, TAYLORS, reposant sur un double mécanisme de consensus adaptatif.
Nous proposons tout d'abord une analyse théorique de la durée d'initialisation d'un protocole distribué classique par consensus, identifiant ses lacunes dans des environnements présentant des difficultés de communication de bout en bout. Suite à ces observations, nous introduisons TAYLORS, alliant deux types de consensus pour tirer parti des capacités de chacun, d'une bonne précision et stabilité à une initialisation rapide, dont nous validons les performances par une campagne expérimentale sur testbed.
Nous traitons ensuite la deuxième question posée par l'utilisation des capteurs sans fil : l'emplacement des points de mesures. Nous reposant sur les mécanismes existants de localisation à ancre unique, nous y adjoignons un double esprit collaboratif, tant sur la collecte des données que sur leur traitement. En effet, afin de limiter le nombre de messages nécessaire, un mécanisme de mesure de distance semi-passif est mis en place entre les capteurs, avant que ces distances soient traitées par une optimisation globale.
À travers une évaluation sur testbed et par simulation de notre protocole, ISRiCH, nos résultats démontrent une surperformance par rapport aux méthodes à ancre unique existantes, ouvrant la voie à des déploiements simplifiés sans compromis sur la précision de localisation.
Enfin, nous mettons en place une plateforme d'essais permettant de démontrer l'usage de nos méthodes de synchronisation et de localisation, TAYLORS et ISRiCH, et leur impact sur la qualité de la reconstruction et de l'analyse du signal physique mesuré. |
The study of the propagation of acoustic or vibratory waves in an environment requires a large number of sensors, accelerometers or microphones, working together to measure time series of data at different points in space.
Integrated solutions exist, but they rely on a wired architecture that is not extensible nor adaptable to new needs, such as temporary deployments.
Conversely, wireless instrumentation allows for great flexibility, but brings new challenges: where are the sensors located in space? And how can the data series measured by each of them be temporally realigned for processing?
The work carried out in this thesis therefore tackles the problem of synchronizing and localizing wireless sensors, with the aim of characterizing the behavior of complex environments. These sensors may be numerous, densely distributed, or subject to external disturbances.
In this context, existing wireless synchronization and localization methods require trade-offs between accuracy, easy deployability, and resilience to environmental uncertainties.
To tackle this limitation, this thesis to adresses both synchronization and localization with the same philosophy: using some forms of collaboration between sensor nodes to improve the performances of the algortihms.
First, we present a new distributed synchronization method, TAYLORS, based on an adaptive consensus mechanism.
We begin with a theoretical analysis of the initialization time of a classical distributed consensus synchronization protocol, identifying its shortcomings in environments presenting specific communication difficulties.
Following these observations, we introduce TAYLORS, which combines two types of consensus to benefit from both their capabilities: good accuracy and stability on one hand and fast initialization on the other. We then evaluate the protocols' performance through an experimental campaign on a testbed.
We then address the second question raised by the use of wireless sensors: finding the location of measurement points.
Building on existing single-anchor localization mechanisms, we incorporate a dual collaborative approach, both for data collection and data processing.
Indeed, in order to limit the number of messages required, a semi-passive distance measurement (ranging) mechanism is set up between sensors, before these distances are processed through a global optimization.
Through both an evaluation on a testbed and by simulation of our protocol, ISRiCH, we demonstrate increased performance compared to existing single-anchor methods, paving the way for simplified deployments without compromising localization accuracy.
Finally, we set up a test platform to demonstrate the use of our synchronization and localization methods, TAYLORS and ISRiCH, and their impact on the quality of the reconstruction and analysis of the measured physical signal. |