1.3
Estructura de la tesis
Esta tesis se ha organizado en 8 capítulos. Tras este primer capítulo introductorio se presenta el capítulo 2, en el que se describe el estado actual de los sistemas de posi- cionamientos en interiores. Se introducen y presenta los trabajos existentes en las dife- rentes tecnologías con las que se desarrollan los LPS y sus aplicaciones, se analizan el estado de la técnica y los trabajos relacionados con tecnologías de posicionamiento, y particularmente con infrarrojos. Además, se presentan las estrategias existentes para la determinación de la posición de agentes móviles. También se incluye en este capítulo un apartado con los trabajos relacionados con la utilización y aplicaciones de PSD, así como de aquellos que han investigado en su calibración.
En el capítulo 3, “Descripción y condicionantes de la propuesta”, se describe la propuesta de LPS en el que se basa este trabajo y las partes que lo componen, seguida- mente se analizan las fuentes de error que añaden incertidumbre a la determinación de la posición 3-D de los agentes móviles en el entorno, dividiendo estas fuentes de error en las provocadas por el circuito eléctrico (Sensor PSD, circuito acondicionador de se- ñal y digitalización de dichas señales) y las provocadas por el sistema óptico (lente y sensor PSD). Además se proponen métodos para la eliminación o mitigación de estas fuentes de error. Por último se describen varias propuestas para la determinación de la posición 3D.
En el capítulo 4, “Calibración eléctrica” se analizan las fuentes de error provocadas por el circuito eléctrico, siendo los principales factores los debidos desbalances de los diferentes canales debidos a tolerancias, derivas, a la no idealidad de los componentes electrónicos como amplificadores operacionales, al ruido en las señales y al convertidor analógico-digital. En este caso se propone un método para eliminar los errores siste- máticos del sistema, y se presentan una serie de pruebas que validan todo el análisis realizado.
En el capítulo 5, “Calibración geométrica”, se describe el modelo matemático del sistema sensorial basado en el modelo pin-hole, al que se van añadiendo los compor- tamientos no ideales de los sistemas, así como las no linealidades. También se presenta un procedimiento de calibración para la obtención de los parámetros de los modelos basado en el método de Zhang para la calibración de cámaras. En este caso también se analiza el proceso de calibración ante las fuentes de error eléctricas analizadas en el capítulo 4 y los efectos ópticos provocados por la lente y el sensor PSD, mostrando finalmente unas pruebas de calibración para dos lentes diferentes.
En el capítulo 6, “Propuestas para la determinación de la posición 3D con PSDs” se presentan diferentes métodos para la determinación de la posición 3-D del agente móvil con sus ventajas y desventajas. Se tiene en cuenta si los agentes se van a mo- ver en un plano, la potencia que se recibiría en función de la posición de los agentes considerando las respuestas del emisor lente y detector, y si se va a poder disponer
de recepción estéreo en algún punto del espacio. Finalmente se introduce un método para la determinación de 3-D a partir de potencia recibida y desfase de la señal recibi- da en diferentes puntos. Además se analiza la sensibilidad en la determinación de las coordenadas 3-D, ante los errores en las medidas.
En el capítulo 7, “Pruebas experimentales y resultados”, se exponen las pruebas ex- perimentales llevadas a cabo para la determinación de la posición 3-D de los agentes móviles y constatación de la viabilidad validez y precisión de las propuestas realiza- das. Esto se ha realizado para las diferentes propuestas descritas en el capítulo 6.
Por último, en “Conclusiones y trabajos futuros” se presentan las conclusiones glo- bales de esta tesis, así como las potenciales líneas de investigación que pueden desa- rrollarse a partir de este trabajo.
Capítulo 2
Estado del Arte
En este capítulo se pretende mostrar los trabajos desarrollados en aquellas áreas de investigación relacionadas con esta tesis, haciendo particular hincapié en los sistemas de posicionamiento local o LPS (Local Positioning System) y más concretamente los sistemas basados en infrarrojo para posicionamiento en interiores. Además, también se describirán trabajos relacionados con métodos de calibración de sistemas ópticos y aquellos que tienen que ver con la utilización y comportamiento de sensores PSD.
Este capítulo se estructura de la siguiente manera: inicialmente se describen los LPS de forma general, seguidamente se presentan aplicaciones y posteriormente se presentan las tecnologías de posicionamiento existentes que actualmente se utilizan y sobre las que hay numerosos trabajos, de los cuales se detallarán algunos de los más relevantes, haciendo más hincapié en aquellos LPS basados en infrarrojos, dado que es la temática de investigación de esta tesis. Después se presentan los trabajos sobre las técnicas y estrategias que actualmente se vienen utilizando para la determinación de la posición de agentes móviles. Tras esa revisión y análisis de estado de la técnica, se enfoca más el estudio del funcionamiento de PSDs y de los trabajos e investigaciones realizados con ellos para llevar a cabo medidas. Se termina este capítulo del estado del arte haciendo una revisión de las metodologías existentes de calibración de conjuntos sensores-lente, fundamentalmente de cámaras que son los sistemas que han que lo han necesitado hasta ahora.
2.1
Sistemas de posicionamiento en interiores
Dado el existo en los sistemas de posicionamiento globales (GPS) el cual ha resultado ser un sistema muy aplicable y útil en el ámbito civil y militar, pero que no da solución a las necesidades de localización en interiores, con lo que han aparecido trabajos de sistemas de LPS, para dar respuesta al posicionamiento en aquellas áreas y localizacio- nes donde los sistemas de posicionamiento global no son solución. A diferencia de los sistemas de posicionamiento en exteriores, en los LPS no existe una solución definiti-
va y única, ya que, existe un abanico de tecnologías (Infrarrojo, Visión, Ultrasonidos, etc.), con diferentes características y también una gran variedad de aplicaciones que no necesitan la misma precisión y que posibilitan que a cada una de ellas se le pueda dar respuesta con unas u otras tecnologías de forma eficaz. Por tanto, la elección de la tec- nología para la implantación de un LPS vendrá determinado por varios factores, que se pueden agrupar por: los requisitos que dependen del usuario, como son el coste del LPS, el mantenimiento, la privacidad, precisión necesaria, etc., y los requisitos técnicos velocidad de actualización de la posición, el radio de cobertura, la precisión que puede alcanzar, consumo eléctrico, infraestructura, etc.
Una problemática general de estos sistemas, viene dada por la geometría y ocupa- ción del entorno que no siempre es un paralelepípedo y además puede tener elementos que no permitan un camino libre de obstáculos entre emisores y detectores, y por tanto con zonas de sombra. Algunos sistemas requieren de visión directa, además los sis- temas también pueden verse afectados por señales de multicamino, que, en muchos casos, hacen que el sistema no sea útil debido a los errores provocados por las señales que se reflejan en el entorno; estos errores afectan tanto por potencia, como por fase o ángulo de llegada. Otros sistemas como los basados en señales de radiofrecuencia, se ven afectados por la absorción de los materiales, condicionando mucho la medida a partir de la potencia recibida.
Sin embargo, frente a todos estos hándicaps los LPS también presentan algunas ven- tajas y aspectos positivos: existen una gran variedad de tecnologías y por tanto existe la opción de elección, las zonas a cubrir son generalmente pequeñas, los agentes a posi- cionar se suelen desplazar con velocidades no muy altas y no se ven influenciados por la meteorología. Algunos LPS tienen la ventaja de utilizar sistemas ya instalados y por tanto el coste de la infraestructura disminuye. En otros casos el LPS se debe diseñar de forma Ad-Hoc para un entorno concreto, pudiendo minimizar aquellos problemas debidos al entorno y mobiliario, pero debiendo hacer el despliegue de los sistemas.
En el siguiente apartado, se van a describir algunas de las aplicaciones en las que tiene cabida la utilización de un LPS.