3D positioning system with optical sensors using encoding techniques

Laburpena

Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y la mejora de los Sistemas de Posicionamiento Locales (LPS) en interiores, los cuales se utilizan en entornos no compatibles con señales GNSS (Global Navigation Satellite Systems) para localizar, seguir y guiar a personas, objetos o vehículos. Se han realizado numerosos estudios para llevar a cabo un sistema de posicionamiento en entornos interiores, donde las personas pasan aproximadamente el 80% de su tiempo. Algunas de las técnicas propuestas emplean diversas señales, como acústicas, de radiofrecuencia, mecánicas u ópticas, entre otras. Por su bajo coste, facilidad de integración en el entorno de trabajo y ausencia de riesgos para la salud, la tecnología óptica es una alternativa viable que ha comenzado a expandirse rápidamente. Esta tesis aporta propuestas que permiten establecer las bases para el desarrollo de un LPS óptico basado en técnicas de codificación y sensores QADA. Se han propuesto dos diseños: un LPS orientado a la privacidad, basado en un conjunto de cuatro LEDs transmisores, aunque fácilmente extensible a más emisores, que actúan como balizas en ubicaciones conocidas y un único sensor QADA que actúa como el receptor a posicionar; y un LPS centralizado basado en un conjunto de transmisores móviles y al menos dos receptores QADA colocados en ubicaciones conocidas. Se han estudiado los módulos transmisor y receptor. En concreto, se propone un esquema de codificación para la emisión del transmisor, que proporciona capacidad de acceso múltiple, así como robustez frente a bajas relaciones señal a ruido y condiciones adversas como los efectos de multicamino y cerca-lejos. Además, para mejorar las prestaciones de la propuesta sin aumentar significativamente el tiempo de emisión, se han analizado diferentes secuencias y sus longitudes, como los códigos LS (Loosely Synchronized) o las secuencias pseudoaleatorias (Kasami). Por otro lado, el módulo receptor está compuesto por un sensor QADA, una apertura cuadrada y una etapa de filtrado para reducir las interferencias no deseadas. El sensor QADA y la apertura se han modelado para, en primer lugar, analizar la influencia de la longitud de la apertura en la linealidad de las ecuaciones de estimación del punto imagen y, en segundo lugar, determinar los parámetros intrínsecos que modelan el receptor (longitud, altura, desalineación y descentrado de la apertura respecto al sensor QADA), de forma que se pueda implementar un algoritmo de calibración para mejorar la precisión del sistema propuesto. El LPS tiene como objetivo estimar la posición 3D de un objeto estático o en movimiento. Para ello, se diseñan varios algoritmos basados en técnicas de triangulación con determinación de ángulos de llegada (AoA) y técnicas homograficas que resuelven el problema de la perspectiva de n puntos (PnP) del sistema pin-hole propuesto. Todas las propuestas han sido verificadas mediante simulaciones y pruebas experimentales en una gran variedad de situaciones: utilizando luz visible o infrarroja, secuencias LS o Kasami, diferentes longitudes de apertura, distintas distancias entre transmisores y receptores, diferentes algoritmos de posicionamiento y varias rotaciones del receptor. Finalmente, las pruebas experimentales han demostrado que es posible posicionar con errores de menos de 5 centímetros