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Un sistema de posicionamiento es un mecanismo para determinar la posición de un objeto en el espacio . [1] Existen tecnologías para esta tarea que van desde la cobertura mundial con precisión del medidor hasta la cobertura del espacio de trabajo con precisión submilimétrica.

Cobertura

Sistemas interplanetarios

El sistema de comunicación por radio interplanetario no solo se comunica con las naves espaciales, sino que también se utiliza para determinar su posición. El radar puede rastrear objetivos cerca de la Tierra, pero las naves espaciales en el espacio profundo deben tener un transpondedor que funcione a bordo para hacer eco de una señal de radio. La información de orientación se puede obtener utilizando rastreadores de estrellas .

Sistemas globales

Los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) permiten a los receptores de radio especializados determinar su posición espacial tridimensional, así como el tiempo, con una precisión de 2 a 20 metros o decenas de nanosegundos. Los sistemas desplegados actualmente utilizan señales de microondas que solo se pueden recibir de manera confiable en exteriores y que cubren la mayor parte de la superficie de la Tierra, así como el espacio cercano a la Tierra.

Los sistemas existentes y previstos son:

Sistemas regionales

Las redes de transmisores de posicionamiento terrestres permiten a los receptores de radio especializados determinar su posición 2-D en la superficie de la Tierra. Por lo general, son menos precisos que los GNSS porque sus señales no están completamente restringidas a la propagación en la línea de visión y solo tienen cobertura regional. Sin embargo, siguen siendo útiles para propósitos especiales y como respaldo donde sus señales se reciben de manera más confiable, incluso bajo tierra y en interiores, y se pueden construir receptores que consuman muy poca energía de la batería. LORAN es un sistema de este tipo.

Sistemas locales

Un sistema de posicionamiento local ( LPS ) es un sistema de navegación que proporciona información de ubicación en cualquier clima, en cualquier lugar dentro de la cobertura de la red, donde hay una línea de visión sin obstáculos para tres o más balizas de señalización de las cuales se conoce la posición exacta en la tierra. . [2] [3] [4] [5]

A diferencia del GPS u otros sistemas de navegación por satélite global , los sistemas de posicionamiento local no proporcionan cobertura global. En su lugar, utilizan (un conjunto de) balizas que tienen un alcance limitado, por lo que requieren que el usuario esté cerca de ellas. Las balizas incluyen estaciones base celulares , puntos de acceso Wi-Fi y LiFi y torres de transmisión de radio .

En el pasado, los LPS de largo alcance se han utilizado para la navegación de barcos y aviones. Algunos ejemplos son Decca Navigator System y LORAN . Hoy en día, los sistemas de posicionamiento local se utilizan a menudo como tecnología de posicionamiento complementaria (y en algunos casos alternativa) al GPS, especialmente en áreas donde el GPS no llega o es débil, por ejemplo, dentro de edificios o cañones urbanos . El posicionamiento local usando torres de transmisión y celulares se puede usar en teléfonos celulares que no tienen un receptor GPS. Incluso si el teléfono tiene un receptor GPS, la vida útil de la batería se extenderá si la precisión de la ubicación de la torre celular es suficiente. También se utilizan en atracciones sin rieles como Hunny Hunt de Pooh yMystic Manor .

Ejemplos de sistemas existentes incluyen

Sistemas interiores

Los sistemas de posicionamiento en interiores están optimizados para su uso en habitaciones, edificios o sitios de construcción individuales. Por lo general, ofrecen precisión centimétrica. Algunos proporcionan información de ubicación y orientación en 6-D .

Ejemplos de sistemas existentes incluyen

Sistemas de espacio de trabajo

Estos están diseñados para cubrir solo un espacio de trabajo restringido, generalmente unos pocos metros cúbicos, pero pueden ofrecer una precisión en el rango de milímetros o mejor. Por lo general, proporcionan orientación y posición 6-D. Las aplicaciones de ejemplo incluyen entornos de realidad virtual , herramientas de alineación para cirugía asistida por computadora o radiología y cinematografía ( captura de movimiento , movimiento de partidos ).

Ejemplos: Wii Remote con barra de sensores, Polhemus Tracker, Soluciones de seguimiento de movimiento de precisión InterSense. [6]

Alto rendimiento

El sistema de posicionamiento de alto rendimiento se utiliza en los procesos de fabricación para mover un objeto (herramienta o pieza) de manera suave y precisa en seis grados de libertad, a lo largo de una ruta deseada, en una orientación deseada, con alta aceleración , alta desaceleración , alta velocidad y bajo tiempo de asentamiento. . Está diseñado para detener rápidamente su movimiento y colocar con precisión el objeto en movimiento en la posición y orientación finales deseadas con un temblor mínimo.

Ejemplos: máquinas herramienta de alta velocidad , escaneo láser , unión de cables , inspección de placas de circuito impreso , ensayos de automatización de laboratorio , simuladores de vuelo

Tecnologías

Existen múltiples tecnologías para determinar la posición y orientación de un objeto o persona en una habitación, edificio o en el mundo.

Posicionamiento acústico

Hora de vuelo

Los sistemas de tiempo de vuelo determinan la distancia midiendo el tiempo de propagación de señales pulsadas entre un transmisor y un receptor. Cuando se conocen las distancias de al menos tres ubicaciones, se puede determinar una cuarta posición mediante trilateración . El sistema de posicionamiento global es un ejemplo.

Los rastreadores ópticos, como los rastreadores de alcance láser, sufren problemas de línea de visión y su rendimiento se ve afectado negativamente por la luz ambiental y la radiación infrarroja. Por otro lado, no sufren efectos de distorsión en presencia de metales y pueden tener altas tasas de actualización debido a la velocidad de la luz. [7]

Los rastreadores ultrasónicos tienen un alcance más limitado debido a la pérdida de energía con la distancia recorrida. También son sensibles al ruido ambiental ultrasónico y tienen una tasa de actualización baja. Pero la principal ventaja es que no necesitan línea de visión.

Los sistemas que utilizan ondas de radio , como el sistema de navegación por satélite Global , no sufren luz ambiental, pero aún necesitan línea de visión.

Escaneo espacial

Un sistema de escaneo espacial utiliza balizas y sensores (ópticos). Se pueden distinguir dos categorías:

  • Sistemas de adentro hacia afuera donde la baliza se coloca en una posición fija en el ambiente y el sensor está en el objeto [8]
  • Afuera en sistemas donde las balizas están en el objetivo y los sensores están en una posición fija en el entorno

Apuntando el sensor a la baliza se puede medir el ángulo entre ellos. Con la triangulación se puede determinar la posición del objeto.

Detección inercial

La principal ventaja de una detección inercial es que no requiere una referencia externa. En su lugar, mide la rotación con un giroscopio o la posición con un acelerómetro con respecto a una posición y orientación de inicio conocidas. Debido a que estos sistemas miden posiciones relativas en lugar de posiciones absolutas, pueden sufrir errores acumulados y, por lo tanto, están sujetos a desviaciones. Una recalibración periódica del sistema proporcionará más precisión.

Enlace mecánico

Este tipo de sistema de seguimiento utiliza vínculos mecánicos entre la referencia y el objetivo. Se han utilizado dos tipos de vínculos. Uno es un conjunto de piezas mecánicas que pueden girar cada una, lo que proporciona al usuario múltiples capacidades de rotación. La orientación de los enlaces se calcula a partir de los diversos ángulos de enlace medidos con codificadores incrementales o potenciómetros. Otros tipos de enlaces mecánicos son cables enrollados en bobinas. Un sistema de resorte asegura que los cables estén tensados ​​para medir la distancia con precisión. Los grados de libertad detectados por los rastreadores de enlace mecánico dependen de la constitución de la estructura mecánica del rastreador. Aunque la mayoría de las veces se proporcionan seis grados de libertad, normalmente solo es posible un rango limitado de movimientos debido a la cinemática de las articulaciones y la longitud de cada enlace.Además, el peso y la deformación de la estructura aumentan con la distancia del objetivo a la referencia e imponen un límite al volumen de trabajo.[9]

Diferencia de fase

Los sistemas de diferencia de fase miden el cambio de fase de una señal entrante de un emisor en un objetivo en movimiento en comparación con la fase de una señal entrante de un emisor de referencia. Con esto, se puede calcular el movimiento relativo del emisor con respecto al receptor.Como los sistemas de detección inercial, los sistemas de diferencia de fase pueden sufrir errores acumulados y, por lo tanto, están sujetos a desviaciones, pero debido a que la fase se puede medir continuamente, pueden generar altas velocidades de datos. Omega (sistema de navegación) es un ejemplo.

Detección de campo directo

Los sistemas de detección de campo directo usan un campo conocido para derivar la orientación o la posición: una brújula simple usa el campo magnético de la Tierra para conocer su orientación en dos direcciones. [9] Un inclinómetro usa el campo gravitacional terrestre para conocer su orientación en la tercera dirección restante. Sin embargo, el campo utilizado para el posicionamiento no tiene por qué tener su origen en la naturaleza. Un sistema de tres electroimanes colocados perpendiculares entre sí puede definir una referencia espacial. En el receptor, tres sensores miden los componentes del flujo de campo recibido como consecuencia del acoplamiento magnético.. Con base en estas medidas, el sistema determina la posición y orientación del receptor con respecto a la referencia de los emisores.

Sistemas ópticos

Los sistemas de posicionamiento óptico se basan en componentes ópticos , como en las estaciones totales . [10]

Posicionamiento magnético

El posicionamiento magnético es una solución IPS ( sistema de posicionamiento interior ) que aprovecha las anomalías del campo magnético típicas de los entornos de interior utilizándolas como firmas distintivas de reconocimiento de lugares. La primera cita de posicionamiento basado en anomalías magnéticas se remonta a aplicaciones militares en 1970. [11] En cambio, el uso de anomalías de campo magnético para posicionamiento en interiores se reclamó por primera vez en artículos relacionados con la robótica a principios de 2000. [12] [13 ]

Las aplicaciones más recientes pueden emplear datos de sensores magnéticos de un teléfono inteligente que se utiliza para ubicar de forma inalámbrica objetos o personas dentro de un edificio. [14]

Actualmente no existe un estándar de facto para IPS, sin embargo, el posicionamiento magnético parece ser el más completo y rentable [ cita requerida ] . Ofrece precisión sin requisitos de hardware y un costo total de propiedad relativamente bajo [ cita requerida ] . Según Opus Research, el posicionamiento magnético surgirá como una tecnología de ubicación en interiores “fundamental”. [15]

Sistemas híbridos

Debido a que cada tecnología tiene sus pros y sus contras, la mayoría de los sistemas utilizan más de una tecnología. Un sistema basado en cambios de posición relativa como el sistema inercial necesita calibración periódica contra un sistema con medición de posición absoluta. Los sistemas que combinan dos o más tecnologías se denominan sistemas de posicionamiento híbridos. [dieciséis]

Los sistemas de posicionamiento híbridos son sistemas para encontrar la ubicación de un dispositivo móvil utilizando varias tecnologías de posicionamiento diferentes. Por lo general, el GPS ( sistema de posicionamiento global ) es un componente importante de dichos sistemas, combinado con señales de torres de telefonía celular, señales de Internet inalámbrica, sensores Bluetooth , direcciones IP y datos del entorno de red. [17]

Estos sistemas están diseñados específicamente para superar las limitaciones del GPS, que es muy exacto en áreas abiertas, pero funciona mal en interiores o entre edificios altos (el efecto de cañón urbano ). En comparación, las señales de las torres de telefonía celular no se ven obstaculizadas por los edificios o el mal tiempo, pero por lo general proporcionan un posicionamiento menos preciso. Los sistemas de posicionamiento Wi-Fi pueden proporcionar un posicionamiento muy exacto, en áreas urbanas con alta densidad de Wi-Fi, y dependen de una base de datos completa de puntos de acceso Wi-Fi.

Sistemas de posicionamiento híbridos cada vez más se están explorando con certeza civiles y comerciales servicios basados en ubicación y medios de comunicación basados en la ubicación , que deben funcionar bien en áreas urbanas con el fin de ser comercialmente viable y prácticamente.

Los primeros trabajos en esta área incluyen el proyecto Place Lab, que comenzó en 2003 y quedó inactivo en 2006. Los métodos posteriores permiten que los teléfonos inteligentes combinen la precisión del GPS con el bajo consumo de energía de la búsqueda de puntos de transición de ID de celda. [18]

Ver también

  • Escaneo 3D
  • GPS asistido
  • Posicionamiento dinámico
  • Registro visual
  • Geodesia
  • Geolocalización
  • Rastreador de mano
  • Sistema de posicionamiento interior (IPS)
  • Sistema de posicionamiento local
  • Seguimiento de teléfonos móviles
  • Captura de movimiento
  • Multilateración
  • Sistema de localización en tiempo real
  • Resección (navegación)
  • Topografía
  • Realidad virtual

Referencias

  1. ^ "sistema de posicionamiento" . La base de datos de terminología de información geográfica autorizada (en latín). 2020-06-02 . Consultado el 31 de agosto de 2020 .
  2. ^ Hjelm, Johan; Kolodziej, Krzysztof W. (2006). Sistemas de posicionamiento local Aplicaciones y servicios LBS ([Online-Ausg.] Ed.). Boca Ratón, FL: CRC / Taylor & Francis. ISBN 978-0849333491.
  3. ^ Kyker, R (7-9 de noviembre de 1995). "Sistema de posicionamiento local" . WESCON / '95. Registro de conferencia. 'Tecnología de comunicaciones microelectrónica que produce productos de calidad Tecnologías emergentes de energía móvil y portátil': 756. doi : 10.1109 / WESCON.1995.485496 . ISBN 978-0-7803-2636-1. S2CID  30451232 .
  4. ^ [https://www.google.com/patents/US20040056798 US20040056798 Patente de EE. UU. US20040056798 - Sistema de posicionamiento local - Gallitzin Allegheny]
  5. ^ [https://www.google.com/patents/US6748224 US6748224 Patente de EE. UU. 6748224 - Sistema de posicionamiento local - Lucent]
  6. ^ "InterSense | Soluciones de seguimiento de movimiento de precisión | Inicio" . www.intersense.com . Consultado el 30 de septiembre de 2018 .
  7. ^ Rastreadores de posición para sistemas de visualización montados en la cabeza: una encuesta , Devesh Kumar Bhatnagar, 29 de marzo de 1993
  8. ^ Woodrow Barfield; Thomas Caudell (1 de enero de 2001). Fundamentos de las computadoras portátiles y la realidad aumentada . Prensa CRC. ISBN 978-0-8058-2902-0.
  9. ^ a b UNA ENCUESTA DE TECNOLOGÍA DE SEGUIMIENTO PARA ENTORNOS VIRTUALES, Jannick P. Rolland, Yohan Baillot y Alexei A. Goon, Centro de Investigación y Educación en Óptica y Láseres (CREOL), Universidad de Florida Central, Orlando FL 32816
  10. ^ "sistema de posicionamiento óptico" . La base de datos de terminología de información geográfica autorizada (en latín). 2020-06-02 . Consultado el 31 de agosto de 2020 .
  11. ^ [1] , "Sistema de orientación", publicado el 4 de septiembre de 1970 
  12. ↑ Suksakulchai, S .; Thongchai, S .; Wilkes, DM; Kawamura, K. (octubre de 2000). "Localización de robots móviles mediante brújula electrónica para entornos de pasillo" . Actas de la conferencia smc 2000. 2000 conferencia internacional ieee sobre sistemas, hombre y cibernética. 'la cibernética evoluciona hacia sistemas, humanos, organizaciones y sus complejas interacciones' (cat. no . 5 : 3354–3359 vol.5. doi : 10.1109 / ICSMC.2000.886523 .
  13. ^ Aboshosha, Ashraf; Zell, Andreas; Tubinga, Universität (2004). "Desambiguando el posicionamiento del robot mediante firmas láser y geomagnéticas" . En: procedimiento de la NIC-8 .
  14. ^ Haverinen, Janne; Kemppainen, Anssi (31 de octubre de 2009). "Autolocalización global en interiores basada en el campo magnético ambiental". Robótica y sistemas autónomos . 57 (10): 1028–1035. doi : 10.1016 / j.robot.2009.07.018 .
  15. ^ Miller, Dan. "Análisis y experiencia en comercio conversacional" . Opus Research . Consultado el 2 de agosto de 2014 .
  16. ^ OpenHPS: un sistema de posicionamiento híbrido de código abierto https://openhps.org
  17. ^ AlterGeo: Acerca de nosotros http://platform.altergeo.ru/index.php?mode=about
  18. ^ Posicionamiento energéticamente eficiente para teléfonos inteligentes que utilizan la combinación de secuencias de ID de celda por Jeongyeup Paek, Kyu-Han Kim, Jatinder P. Singh, Ramesh Govindan

Lectura adicional

  • Karimi, Hassan A. (1 de enero de 2011). "Navegación universal". Navegación universal en teléfonos inteligentes . Springer EE. UU. págs. 75–88. doi : 10.1007 / 978-1-4419-7741-0_4 . ISBN 9781441977403.