Localización y autocalibrado simultáneo con sistemas de posicionamiento local ultrasónicos
- Autores: Francisco Daniel Ruiz Pereda
- Directores de la Tesis: Jesús Ureña Ureña (dir. tes.), Juan Carlos García García (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2011
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Jesús García Domínguez (presid.), Ana Jiménez Martín (secret.), Antonio Eduardo de Barros Ruano (voc.), Fernando Seco Granja (voc.), Fernando Javier Álvarez Franco (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
La presente tesis doctoral surge con el objetivo de realizar contribuciones en el calibrado de sistemas de posicionamientos local (LPS) balizados. En la actualidad una de las técnicas más empleadas en la localización en espacios interiores son los sistemas de posicionamientos con balizas, esto es, dentro del área a localizar se instalan una serie de balizas (emisores) y mediante medidas de distancia a los mismos se obtiene la posición de un objeto móvil. Para llevar a cabo esta localización, la gran mayoría de las técnicas de localización necesitan conocer la posición de dichas balizas respecto del sistema de referenciaque se esté empleando. Calcular estas posiciones suele ser un proceso tedioso y en la mayor parte de los trabajos de localización presentados se asume que es conocida, pero cuando se aborda la implementación real de un sistema de posicionamiento, los errores cometidos en la determinación de la posición de las balizas afectan al error cometido en la posición del móvil tanto como los errores cometidos en la medida de distancia.La tesis se puede dividir en tres grandes bloques. En el primero se propone un nuevo método de posicionamiento para el caso de emplear trilateración hiperbólica. En el segundo bloque se proponen diferentes técnicas para la calibración de sistemas de posicionamiento tanto si están compuestos por un único LPS, como si están compuestos por varios sistemas LPS distribuidos por distintas zonas de cobertura. Finalmente, en el último bloque se analizan las propiedades de los métodos propuestos en un sistema de posicionamiento local ultrasónico.Tras realizar un análisis pormenorizado de las diferentes técnicas de posicionamiento tanto esféricas como hiperbólicas se propone un nuevo algoritmo de posicionamiento hiperbólico basado en las propiedades geométricas del operador de Cayley-Menger. Este nuevo algoritmo consigue obtener la posición del nodo móvil con precisiones similares a las de los métodos tradicionalmente utilizados, pero con una menor carga computacional. Además se presenta una versión simplificada del mismo cuando todas las balizas del sistema se encuentran a la misma altura, reduciendo aún más la carga computacional del sistema.Posteriormente se propone un método de calibración para sistemas LPS consistente en tomar varias medidas en diversos puntos dentro del área de trabajo, la principal novedad de este algoritmo es que sólo se necesita conocer la posición real de tres de los puntos de medida mientras que el resto permanecen desconocidos. Los tres puntos conocidos definen el origen de referencia y eliminan ambigüedades por rotación. Este método permite sólo calibrar sistemas LPS independientes, por eso también se presenta un método de calibración global para varios sistemas LPS independientes, mediante un robot móvil se consigue calibrar todos los LPS respecto del mismo sistema de referencia, fusionando los datos de odometría y la información proporcionada por cada LPS mediante un filtro H-infinito.Finalmente, se ha definido un sistema de posicionamiento local ultrasónico, en el que se ha podido comprobar experimentalmente la validez de los resultados obtenidos con todos los algoritmos propuestos.
- English
The main goal of this PhD thesis is to make contributions to the calibration of a beacon-based local positioning systems (LPS). Nowadays, beacon based localization systems are one of the most common solutions used in indoor localization systems. Inside a coverage area several signal emiters (beacons) are placed in fixed positions and by measuring the distance from the beacons to the mobile node it is possible to calculate its position. In order to achieve the localization of a mobile node, most of the localization algorithms need to know the beacons’ position regarding the reference system that it is being used. Obtaining these positions is often a long and a tedious process, so in most of the papers in the scientific literature the beacons’ position are assumed to be known. But when the real implementation of a local positioning system is carried out, the errors in the determination of the beacons’ position affects to the error in the mobile node localization in a similar way that the errors made in the measurement of the distances to the beacons themselves. The PhD thesis can be divided into three major parts. In the first one, a new positioning algorithm for hyperbolic trilateration is proposed. After a detailed analysis of the different localization techniques, both spherical and hyperbolic, a new localization algorithm is proposed that is based on the geometric properties of the Cayley-Menger operator. This algorithm gets the mobile node position with a similar accuracy as the classic methods but with a lower computational load. Also a simplified version of the algorithm when all beacons are at the same height is presented. This version further reduces the computational load of the system and avoids the need of a iterative process. In the second part, several calibration techniques for local positioning systems are proposed. It is studied the case for a single LPS and the case where a global LPS is composed of various independent LPS. The calibration algorithm calculates the beacons’ position taking several measurements from different points of the coverage area. The main contribution of this algorithm is that it only needs to know the actual localization of three measuring points while the rest of the points can be at unknown positions. It is necessary to know the position of three points to define the reference system and to avoid ambiguities in the solution due to rotations and specularities. This method only allows calibrating a single independent LPS system, so a global calibration system for several independent LPS is also proposed. This method uses a mobile robot to calibrate all the LPS systems regarding the same reference origin by merging the odometry data with the LPS systems information through an H-∞ filter. Finally, in the last part, it is defined a prototype of an ultrasonic local positioning system. This prototype has been used to verify the results and performance of the different algorithms proposed in this thesis. In order to get the “European Doctor” mention, in the appendix D appears an extended abstract of this thesis in English, including the conclusion section.
- español
