ALOSistemas de localización y orientación por ángulos basados en recepción diferencial

Resumen

La presente tesis doctoral presenta un algoritmo diseñado para proporcionar la localización y orientación a un nodo, necesitando para ello la existencia de una serie de balizas cuyas posiciones deben ser conocidas. El algoritmo propuesto se ha implementado utilizando señales de ultrasonidos como medio de comunicación entre balizas y nodos, obteniendo un sistema en el que los nodos son capaces de localizarse y orientarse en el interior de viviendas o naves de forma precisa (el sistema alcanza precisiones de unos pocos centímetros en la localización y de unos pocos grados en la orientación) acarreando un reducido coste adicional para cada nodo. El algoritmo se basa en que cada uno de los nodos mide el retardo con el que se recibe la señal generada por cada baliza mediante el uso de varios receptores desplegados en el propio nodo. Posteriormente, el nodo utiliza esta información para determina el ángulo con el que se recibe la señal y, combinando los ángulos percibidos por el nodo respecto a varias balizas, determinar su posición y orientación en todo momento. El algoritmo demanda un reducido coste computacional, lo que permite implementarlo en los microcontroladores o FPGAs de que ya disponen los nodos para realizar las tareas de navegación y sensado, por lo que no se incurre en un coste adicional en este sentido. Además, como el algoritmo se ejecuta en cada uno de los nodos de forma autónoma, el sistema resultante es altamente escalable, permitiendo desplegar cualquier número de nodos en un determinado espacio. En esta tesis se presentan cuatro variantes del algoritmo, las cuales se analizan en detalle tanto analítica como experimentalmente. Cada una de estas variantes permite elegir entre diferentes prestaciones, permitiendo el desarrollo de sistemas en donde cada nodo sólo necesita de un receptor, pero demanda recibir la señal de al menos 4 balizas para poder conocer su posición, hasta dispositivos con cuatro receptores que sólo necesitan de 2 balizas para conocer su posición y orientación y, además, pueden funcionar incluso con la pérdida de uno de sus receptores (a costa de una menor precisión). La decisión entre una u otra variante del algoritmo depende de las necesidades del sistema, siendo posible combinarlas. Adicionalmente, en la presente tesis se recogen los resultados obtenidos al cambiar la tecnología de ultrasonidos por una basada en sonido en el rango audible por el ser humano. Se demuestra que dicha tecnología no es adecuada al obtener mucha menor precisión debido, principalmente, al uso de una menor frecuencia en la señal de referencia y a la interferencia generada por los rebotes en las paredes, techo y objetos situados en el entorno de aplicación.