Diseño e implementación de un sistema de posicionamiento local y de algoritmos robustos de posicionamiento

Los Sistemas de Posicionamiento Local (LPS) han sido objeto de una intensa investigación en las últimas décadas. Sin embargo, al contrario de lo que sucede en sistemas de posicionamiento global donde el sistema GPS ha logrado imponerse, siendo implementado de forma generalizada en dispositivos móviles comerciales, no hay un LPS actualmente que se haya impuesto sobre los demás, existiendo múltiples soluciones propuestas con diferentes tecnologías. Los LPS basados en la tecnología ultrasónica destacan por su elevada exactitud, presentando limitaciones que aún necesitan ser solventadas En el presente trabajo de tesis se realiza el diseño y desarrollo de un LPS basado en ultrasonidos (que hemos denominado 3D-LOCUS), genérico, configurable y capaz de posicionar con elevada exactitud un móvil inalámbrico incluso en presencia de corrientes de aire, tratando de solventar las limitaciones que presentan este tipo de sistemas, con especial énfasis en el diseño de algoritmos de posicionamiento robusto que permitan la detección y minimización del efecto de medidas atípicas de rango en el resultado del posicionamiento. Se presenta una clasificación de los sistemas de posicionamiento basados en balizas, teniendo en cuenta la tecnología, el área de cobertura, la granularidad y exactitud, el tipo de variable medida, la privacidad, la técnica de estimación de la posición y el tipo de algoritmo. Esta clasificación permite definir el desarrollo presentado como un sistema determinístico ultrasónico de posicionamiento local centralizado basado en la medida de tiempos de vuelo, con granularidad fina y alta exactitud. El análisis de los principales desarrollos de sistemas ultrasónicos de posicionamiento local, teniendo en cuenta tanto sistemas comerciales como en fase de prototipo, permite determinar las principales limitaciones de que adolecen tales como un lóbulo de emisión restringido, reducido ancho de banda, falta de inmunidad ante corrientes de aire y exactitud moderada, aunque algunos sistemas sí solventan alguna de estas limitaciones. El diseño e implementación del sistema 3D-LOCUS se realiza con el objetivo de solventar las limitaciones que presentan otros sistemas a través de su arquitectura física, el diseño de las señales ultrasónicas y la selección de los transductores a emplear, su arquitectura electrónica y la arquitectura del software. Se realiza el diseño de una arquitectura modular y genérica con la infraestructura fuera del área de posicionamiento. Cada uno de los nodos del sistema contiene dos tarjetas electrónicas (procesamiento y acondicionamiento) que son iguales para todos ellos, diferenciándose la función de cada nodo en el montaje de los distintos componentes. Cada nodo tiene suficiente capacidad como para emitir, recibir y procesar las señales ultrasónicas, obteniendo como resultado el tiempo de vuelo de las señales recibidas. Como transductores con amplio lóbulo de emisión y recepción con elevado ancho de banda se seleccionan el tweeter CP13 de Visaton y el micrófono Panasonic WM61, trabajando en una banda de frecuencias parcialmente audible, al no encontrarse transductores ultrasónicos bidireccionales con estas características. La cancelación del efecto del viento se obtiene con una emisión bidireccional de la señal ultrasónica, utilizándose como tiempo de vuelo la media armónica de los tiempos medidos en cada dirección, cancelándose aproximadamente (debido al uso de dos transductores individuales) la componente longitudinal del viento, considerándose despreciable la componente transversal. Se definen tres modos de acceso al medio: CDMA (por multiplexación en el código), TDMA (por multiplexación en el tiempo) y TDMA comprimido (utiliza la información medida para usar una única recepción del nodo emisor). En todos estos modos se utilizó como señal ultrasónica un código Golay individual de 32 chips modulado en fase con una frecuencia central de 15 kHz. La adquisición se realiza en un buffer de longitud 2048 muestras a una frecuencia de 150 kHz y el tiempo de vuelo se calcula como el máximo de la envolvente de la correlación. La calibración de la medida de tiempos de vuelo se realiza en primer lugar con la búsqueda de los centros virtuales de emisión y recepción, como puntos hipotéticos desde los cuales se puede considerar que la señal es emitida o recibida respectivamente, hallando que el centro del altavoz se encuentra a 4.2 mm y el del micrófono a 0.4 mm por delante del frontal de la caja. También se determina el retardo introducido por la electrónica, resultando 128.6 µs, y por la sincronización por radiofrecuencia, que es de 82.8 µs. En la caracterización del sistema se obtienen los mejores resultados en modo bidireccional con acceso al medio por TDMA, con un nivel de error al 95 % de 5.9 mm y un error rms de 3.4 mm con presencia de corrientes de aire. La resolución obtenida es de unos 4 mm con corrientes de aire y alrededor de 1 mm sin ellas. La cobertura se puede extender ampliamente por fuera de la celda de prueba, estimándose una densidad de balizas al cubrir zonas amplias de una cada 6.86 m2. Para abordar el diseño de algoritmos robustos se presenta una clasificación de los algoritmos de minimización del efecto de medidas atípicas utilizados en sistemas basados en rangos, distinguiendo los algoritmos estáticos y dinámicos, y los que requieren redundancia o no de las medidas, siendo de especial interés los redundantes por su mayor exactitud. Se implementan los algoritmos LTS y LMS, a partir de los cuales se propone un algoritmo nuevo denominado LTS-Vs que permite eliminar el efecto de dos errores simultáneos utilizando 7 balizas, utilizando una medida aproximada de la temperatura. Tomando como base los algoritmos MM se desarrolla el algoritmo RoPEUS, donde la medida de temperatura del anterior algoritmo se sustituye por la dilución de la precisión, y se añade una etapa de refinamiento de la solución utilizando una función biweight, obteniendo una mayor exactitud en el posicionamiento. Por último se desarrolla el algoritmo RoKaPEUS, que es un algoritmo dinámico resultante de adaptar el algoritmo estático RoPEUS a la estructura de un filtro de Kalman, utilizando el algoritmo RoPEUS en su inicialización, y una función biweight como ponderación de los residuos en la actualización de la estimación. El algoritmo presenta mayor exactitud cuando el móvil permanece estático, con resultados similares al algoritmo de espacio de paridad cuando el móvil sigue una trayectoria, con la ventaja de ser inmune ante dos errores simultáneos. La tesis finaliza con una evaluación del sistema ante condiciones adversas como interferencias sonoras y oclusiones severas, analizando los límites del sistema y de los algoritmos robustos diseñados. Se comprueba que el sistema es capaz de obtener mayor exactitud que los sistemas analizados en el estado del arte incluso con la presencia de corrientes de aire y medidas atípicas, gracias al modo bidireccional y a los algoritmos robustos implementados