Wearable-based pedestrian localization through fusion of inertial sensor measurements

Resumen

Los sistemas de posicionamiento para peatones se han beneficiado de diferentes técnicas de fusión con el objeto de abordar las desventajas de dichos sistemas. En el caso particular de los sistemas inerciales, las técnicas de fusión más explotadas se centran en combinar la tecnología inercial con otras tecnologías como la navegación por satélite o el posicionamiento WiFi. Los sistemas de posicionamiento que combinan varios sensores inerciales montados en el cuerpo constituyen un campo menos estudiado que la fusión de sensores inerciales con otras tecnologías. El objetivo de este trabajo es desarrollar sistemas de posicionamiento para peatones basados en la fusión de sensores inerciales. En concreto, se pretende determinar si es posible mejorar, a través de dicha fusión, la precisión en la estimación de la distancia, de la dirección de la marcha y de la altura. Los sensores inerciales se colocarán en el bolsillo delantero de los pantalones y en el pie de la misma pierna. Estas dos posiciones se han elegido por su movimiento característico durante la marcha. Además, el hecho de utilizar la misma pierna nos permitirá observar posibles correlaciones entre las medidas de los sensores inerciales del bolsillo y del pie. El primer paso de nuestro trabajo es el diseño de la metodología de evaluación. Para ello nos hemos basado en las metodologías de evaluación implementadas en diferentes competiciones de sistemas de posicionamiento. Gracias a dicha metodología, hemos evaluado cuantitativamente los sistemas de posicionamiento inerciales basados en el pie y en el bolsillo. A continuación, hemos identificado las ventajas e inconvenientes de cada uno de dichos sistemas. De acuerdo a los resultados del estudio previo, hemos elegido desarrollar sistemas de posicionamiento cuyo objetivo es abordar los tres inconvenientes principales de los sistemas inerciales. El primer inconveniente está relacionado con la necesidad de calibrar los parámetros de los modelos que estiman la longitud del paso. Dichos modelos son necesarios siempre que el sensor inercial se coloque por encima del tobillo, e.g. en el bolsillo. El segundo inconveniente de los sistemas inerciales es la acumulación del error en altura. Este error afecta principalmente a aquellos sistemas basados en un sensor inercial colocado en el pie. El ´ultimo inconveniente que vamos a abordar es la acumulación de error en la dirección de la marcha o yaw. Este ´angulo indica la dirección en la que el peatón se está moviendo. Dicho inconveniente es común a todos los sistemas inerciales y es la principal fuente de error en la estimación de la posición. El sistema de calibración que proponemos estima, automáticamente, los parámetros del modelo que calcula la longitud del paso. Para dicha automatización, utilizamos el posición estimada por el sistema inercial del pie. Demostramos la viabilidad del proceso tomando como el ejemplo el modelo del sistema inercial del bolsillo. En nuestro método, estimamos los parámetros óptimos del modelo a través de dos variables: la longitud del paso y la amplitud del cabeceo de la pierna. El primer parámetro lo estima el sistema inercial del pie mientras que el segundo se obtiene gracias al sistema inercial del bolsillo. La principal ventaja de la calibración que proponemos es la automatización del proceso de calibración. Además, nuestra propuesta estima los parámetros del modelo en tiempo real, lo cual no es posible con las técnicas de calibración del estado del arte. El siguiente objeto de estudio es la acumulación de error en altura y en yaw. Para abordar ambos inconvenientes proponemos dos sistemas de posicionamiento: un sistema modular y un sistema integrado. El sistema modular combina la salida; es decir, la posición, de los sistemas inerciales del pie y del bolsillo. La primera contribución del sistema modular es el desarrollo de un método para comparar la precisión dos ángulos, yaw, y determinar de manera objetiva cuanto más preciso es un ángulo con respecto al otro. La segunda contribución del sistema modular es su método de estimación de la altura, mediante el cual se explotan las ventajas tanto del sistema inercial del pie como del sistema inercial bolsillo. Mediante la combinación de estos dos aspectos, el sistema modular consigue reducir el error en altura en un 75% y un 87% con respecto al error en altura de los sistemas inerciales del pie y el bolsillo, respectivamente. El sistema integrado combina las medidas; es decir, la aceleración y la velocidad angular, de los sensores inerciales del pie y del bolsillo. El objetivo del sistema integrado es explotar aspectos biomecánicos relacionados con la marcha. Para ello, desarrollamos un modelo biomecánico de la pierna. Este modelo analiza cómo una persona camina desde el punto de vista de los ángulos inerciales: alabeo y cabeceo. Gracias al modelo biomecánico, podemos observar los errores en los ángulos de un sistema inercial sin necesidad de disponer de una trayectoria de referencia. Para analizar el yaw de una extremidad desde el punto de vista biomecánico, es necesario comparar dicho ´angulo al yaw de otra extremidad. Esta comparación nos lleva a la estimación del yaw relativo, que en nuestro caso compara el yaw del sensor inercial bolsillo con el del sensor inercial la pierna. Gracias a este análisis, podemos observar incoherencias biomecánicas en el yaw de los sistemas inerciales. El sistema integrado incorpora los resultados del estudio biomecánico. En dicho sistema integrado, los ángulos tanto del pie como del bolsillo se estiman en el mismo filtro probabilístico de manera que los conceptos anteriores se pueden implementar de manera óptima. El sistema integrado reduce el error en la dirección de la marcha en un 70% y un 72% con respecto al error de los sistemas inerciales del bolsillo y del pie, respectivamente. Además, el error en altura del sistema integrado es un 87% y un 75% menor que el mismo error de los sistemas inerciales del bolsillo y del pie, respectivamente. Todos los sistemas que hemos desarrollado se han evaluado con el mismo sistema de evaluación presentado anteriormente. Hemos podido observar varios aspectos interesantes durante dicha evaluación. Por ejemplo, todos los sistemas tienen aproximadamente el mismo error en distancia. En cuanto al error en el yaw, el sistema integrado es el más preciso. Tal y como indicamos antes, el elemento más destacado del sistema modular es la reducción del error en altura a través de la combinación de las características de los sistemas inerciales del bolsillo y del pie. Con nuestro trabajo, podemos concluir que los sistemas de posicionamiento inerciales basados en dos sensores inerciales son más precisos que los sistemas de posicionamiento inerciales basados en un único sensor. La mejora en la precisión se refleja tanto en la precisión de la estimación de la dirección de la marcha como en la precisión de la estimación de la altura. Por lo tanto, recomendamos el uso de varios sensores inerciales distribuidos por el cuerpo con el fin de conseguir un sistema de posicionamiento más preciso.