Sistemas de localización

Sistemas de localización
Ponente: D. Manuel Ocaña Miguel
Trabajo realizado por:
Víctor Caballero Narro
NIF: 09039892H
Ingeniería de Telecomunicación
Universidad de Alcalá de Henares
¿Qué es la localización? Es el proceso por el cual se estima la posición de un móvil
dentro de su mapa de entorno.
Las fuentes de información utilizadas para resolver este problema de conocer el lugar de
un móvil son las observaciones del entorno realizadas bien por el propio móvil a través
de diferentes sistemas sensoriales, o bien a partir de las observaciones que toma el
entorno.
La principal aplicación de los sistemas de localización es la ayuda en la navegación,
aunque también hay otras como la de conocer la posición de un móvil,...
WiFi (Wireless-Fidelity): tiene como aplicación principal en las redes de área extendida
WLAN (Wireless Local Area Network). Ejemplos de este tipo de redes son las redes
“ad-hoc”, que permiten la comunicación punto a punto de manera temporal (muy usado
en reuniones de empresas) y las redes “Managed Administrado”.
Características de las redes WLAN: 2.4GHz b/g y 5GHz a una velocidad de 54 Mbps,
espectro ensanchado. Norma IEEE 802.11 a/b/g.
Podemos hacer una clasificación de los sistemas de localización según:
• Si la posición del móvil es conocida o no lo es, tenemos:
- Localización local: aquella en la que sí conozco la posición inicial del
móvil y realizo un seguimiento de la misma para poder estimar la
siguiente posición.
- Localización global: es la que intenta conocer la posición absoluta del
móvil sin tener aparente conocimiento de la misma.
• La representación de la posición:
- Sistemas determinísticos: si conozco la posición actual del sistema, las
observaciones que van captando los sensores y el comportamiento del
robot ante los cambios que se producen en el entorno se puede predecir,
sin ningún riesgo de posible error, la posición siguiente del robot.
Ejemplo de un método determinístico: la correlación cruzada.
- Sistemas probabilísticos: aquellos sistemas en los que las diferentes
variables que intervienen en la localización del dispositivo se ven
afectadas por otras variables aleatorias, como por ejemplo (la mas
común) el ruido. Es decir, que la posición del móvil es en base a una
probabilidad.
Ejemplo de método probabilístico: las redes neuronales.
¿Quién realiza la localización?
- La localización se puede realizar en el propio dispositivo: es éste el que
obtiene su ubicación con sus propios medios y con las diferentes medidas
que realiza sobre él mismo.
- Localización del dispositivo por entorno (entornos inteligentes): es el
entorno, a través de un procesador central, el que obtiene la ubicación de
los dispositivos presentes dentro del propio entorno de trabajo.
•
En base a la tecnología utilizada hablaremos de:
- Encoders: odometría
- Ultrasonido: usan tiempos de vuelo.
- Láser: interferometría.
- Infrarrojos: interferometría.
- Radar: efecto doppler.
- WiFi: medida del nivel de señal.
-
Bluetooth: medida del nivel de señal.
Vamos ahora a ver la descripción de algunos de los sistemas de localización más
comunes:
-
Sistemas de ultrasonidos desarrollado en el laboratorio de computación
de la Universidad de Cambridge.
Elementos más comunes:
• MPD: dispositivo de almacenamiento móvil(marca o etiqueta). Está
compuesta de un transmisor de ultrasonidos y un receptor de
radiofrecuencia.
• Matriz de receptores de ultrasonidos.
• MM: gestor de matriz de receptores. Miden la distancia al transmisor.
• ZM: gestor de zona. PC y transceptor de radiofrecuencia, computa
las posiciones en el entorno y se encarga de la sincronización del
sistema.
-
El método más sencillo para calcular la orientación se basa en el diseño
de un sistema que sea capaz de calcular la orientación relativa entre dos
robots mediante ultrasonidos. Consiste en la medida de la diferencia de
fase de dos señales de ultrasonidos recibidas en dos receptores colocados
sobre el mismo dispositivo móvil.
-
Proyecto EIRIS: utilizan infrarrojos y radiofrecuencia para la
localización y el envió de etiquetas. Opera con bases de datos de
Microsoft Access y SQL. Tiene un interfaz gráfica con mapas y tablas.
Caso de estudio particular. Medida de la señal WiFi:
• Infraestructura.
Se han realizado los experimentos en los pasillos 3, 4 y principal de la
tercera planta del Departamento de Electrónica de la Escuela Politécnica de
la Universidad de Alcalá de Henares.
Se han usado:
- Dos robots móviles Æ Pioneer 2AT de ActivMedia Robotics.
- Cámara pan&tilt&zoom.
- Interfaz WiFi (comunicación, localización).
- Ordenador para el interfaz visual usuario-máquina.
•
Se realiza una variación temporal promediada (60 muestras) durante un día
completo de nuestro robot en el entorno descrito anteriormente.
Se obtiene información de la media y la desviación típica del nivel de señal
recibida (en dBm) en los cuatro puntos de estudio, y se observa que los
mayores niveles de señal se detectan a las horas de apertura del edificio,
siendo éstas prácticamente nulas en las horas en las que no esta abierto.
Parece un resultado lógico, ya que la variación será mayor en la hora en la
que hay más interferencias en el entorno.
• Se realiza las medidas a gran escala: se estudian los movimientos del robot a
grandes distancias (el nivel de señal recibida medio en dBm en función de la
posición del entorno).
Estudio de la localización WiFi :
• Modelo de propagación.
El nivel de señal recibida se puede calcular a través de la fórmula:
Como se puede apreciar, la señal recibida depende de las propiedades de los
elementos trasmisor y receptor, del medio de propagación y de la distancia
(que es lo que nos interesa calcular). Un esquema global de cómo se realizan
las medidas en nuestro caso de estudio es:
Donde los sensores de localización se encuentran en el techo, pudiendo
calcularse fácilmente esta distancia a partir del teorema de Pitágoras
mediante la fórmula:
•
Localización mediante triangulación: cruce de cuatro esferas (GPS):
Consiste en que con la intersección de la medida de cuatro distancias se
obtiene un único punto de corte que se corresponde con la posición exacta
del robot. Eso sí, habrá que tener en cuenta los problemas existentes con los
entornos interiores como la reflexión, refracción, difracción o el efecto de
“multicamino”. Para el estudio de esta técnica se realiza una correlación
cruzada de histogramas a partir de unas muestras tomadas a partir de unos
patrones en distintas posiciones.
Por último, vamos a ver cómo los sistemas de localización sirven de ayuda a los
sistemas de navegación.
Para ello utiliza:
- Un proceso de decisión de Markov (MDP).
- Un modelo de Decisión de Markov Parcialmente Observable (POMDP).
- Un sistema de localización probabilístico.
- Observaciones WiFi: se toma el valor medio de N muestras, y se
redondea al entero mayor. Desplaza de 0 a –99dBm.
- Observaciones Ultrasonidos: hay varias posibilidades según el número
de sensores u obstáculos a los lados del móvil. Se hace una fusión de
sensores independientes unos de otros, lo que hace que la probabilidad
total sea igual al producto de las probabilidades medidas por separado.
Este sistema pretende la evitación de obstáculos mediante ultrasonidos. Para ello
introduce el concepto de ángulo y distancia de evitación. Hay un área de seguridad para
evitar chocar con obstáculos.
En nuestra aplicación es de gran utilidad a la hora de detectar transiciones de final de
pasillo. Estas detecciones pueden ser:
- Detecciones de transiciones por puerta:
Consiste en que el robot va emitiendo señales a los dos lados para saber
cuándo hay una puerta a alguno de los dos lados.
- Detecciones de transiciones final de pasillo:
El robot va emitiendo hasta que no hay señal de un lado durante un tiempo lo
suficientemente amplio como para saber que no es una puerta.
Otras propiedades de nuestra aplicación son:
- Se utiliza un “modelo en H” del pasillo mediante ultrasonidos.
- Se usa un controlador no lineal de error lateral de.
- Necesita conocer el ancho del pasillo W:
- Se tiene un error lateral y una orientación mínimos en la medida WiFi:
Resumiendo, podemos decir que los sistemas de localización son de vital importancia
para numerosas aplicaciones usando para ello ultrasonidos, infrarrojos o la combinación
de ambas, que es la opción que acaba resultando más ventajosa. Es de gran importancia
para toda comunicación que se realiza conocer los sistemas que se usan para localizar
las señales que queremos transmitir.