IX WORKSHOP DE AGENTES FÍSICOS, SEPTIEMBRE 2008, VIGO

ESTIMACIÓN DE POSICIÓN DE VIANDANTES MEDIANTE SENSORES INERCIALES

Autores: Raúl Feliz AlonsoEduardo Zalama CasanovaJaime Gómez García-Bermejo

División de Robótica y Visión ArtificialFundación CARTIF

Proyectos I+D+iProyectos I+D+i

INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE UN SISTEMA DE NAVEGACIÓN

PERSONAL

• Navegación y localización tanto en exteriores como interiores

• Problemas de la utilización exclusiva del GPS

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MARCO DEL PROYECTO

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BLOQUEOS DE LA SEÑAL DE GPS

• Cañones urbanos

• Parajes naturales

• Problemas en situaciones militares

• Equipos de rescate en edificios

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MOTIVACIÓN

OBJETIVOS

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Estimación óptima de la posición de un peatón

en tiempo real.

Determinación del posicionamiento de forma

continuada entre las áreas de interior y exterior.

Localización en 3D del usuario en un edificio.

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OBJETIVOS

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Posibilidad de georeferenciar la posición obtenida sobre un mapa del

edificio en cuestión.

Alta integración de los diferentes dispositivos involucrados para la

creación de un módulo de reducido tamaño y de diseño ergonómico.

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Capacidad de integración de las observaciones recogidas

por los diferentes sensores.

Estimación de una posición óptima a partir de la posición

estimada por la IMU y de la posición calculada a través de

GPS (AGPS).

TRABAJOS PREVIOS

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Podómetros• Patrick L. Schneider, Scott E. Crouter, Olivera

Lukajic, y David R. Bassett Jr.

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Acelerómetros biaxiales

• Cho, S.Y. y Park C.G.

Visión artificial• Liu, Y., Wang, Y., Dayuan Y. y Zhou Y.• Kourogi M. y Kurata T.

SLAM

• Galindo, C.

TRABAJOS PREVIOS

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Sensores de ultrasonido• Saarinen, J., Suomela, J., Heikkila, Elomaa, M., y Halme, A.• Brand, T. y Phillips, R.

Doble integración de aceleraciones lineales

• Pie:• Eric Foxlin• Koichi Sagawa, Hikaru Inooka, Yutaka Satoh• Filippo Cavallo, Angelo M. Sabatini, Vincenzo Genovese• Ojeda, L., and Borenstein, J.

• Cintura• Masakatsu Kourogi, Nobuchika Sakata, Takashi Okuma, Takeshi Kurata

• Pierna• Jeong Won Kim, Han Jin Jang, Dong-Hwan Hwang, Chansik Park

• Cabeza• Stéphane Beauregard

SOLUCIÓN PROPUESTA

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Doble integración de valores de aceleración lineal

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Uso del MTi / MTi-G de Xsens

• Acelerómetro

• Giróscopo

• Magnetómetro

• Barómetro

• Brújula

• GPS

• Datos calibrados

SOLUCIÓN PROPUESTA

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La doble integración implica la presencia de un error acumulativo

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Colocación del sensor en el pie

• Identificación de la fase estacionaria y de

movimiento en la caracterización de un paso

• Error conocido en la fase estacionaria

• Posibilidad de estimar el error cometido en

la fase de movimiento

Colocación del sensor en el empeine

La corrección del error se hace en el momento en el cual el pie está apoyado en el suelo.

DETECCIÓN DE PASOS

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Se hace uso de las velocidades angulares (giróscopo)

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Se busca que la señal esté por debajo de una determinada tolerancia

DETECCIÓN DE PASOS

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Se hace necesario un

acondicionamiento de la señal

DETECCIÓN DE PASOS

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Se hace necesario un

acondicionamiento de la señal

DETECCIÓN DE PASOS

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CORRECCIÓN DEL ERROR ACUMULADO

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SOLUCIÓN PROPUESTA

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Se aplican las correcciones a los valores de velocidad obtenidos

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DETERMINACIÓN DE LA TRAYECTORIA

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GIRÓSCOPO

• Inmune a perturbaciones exteriores

• Fiabilidad condicionada a un breve intervalo de tiempo

• Requiere una referencia inicial fiable

BRÚJULA

• Fiable en exteriores

• Fiabilidad condicionada al entorno

INTEGRACIÓN

• Se busca la integración de las dos señales, de manera que sea posible

decidir cuál es más fiable en caso de proporcionar valores distintos

Valores referenciados en coordenadas globales

ENSAYOS EN EXTERIORES

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Ensayo 1

• Trayectoria rectangular de 30 m de longitud

OBJETIVO

• Fiabilidad de la brújula

• Alcance de la fiabilidad del giróscopo

ERROR

• Ensayo giróscopo:

2.5m → 7.81%

• Ensayo brújula:

0.56m → 1.75%

ENSAYOS EN EXTERIORES

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Ensayo 2

• Trayectoria cerrada de 90 m de longitud

ERROR

• Ensayo giróscopo:

25.9m → 28.63%

• Ensayo brújula:

0.9m → 1.06%

ENSAYOS EN EXTERIORES

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Ensayo 3

• Trayectoria cerrada de 680 m de longitud

ERROR

• Ensayo brújula:

15.75m → 2.31%

ENSAYOS EN EXTERIORES

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Ensayo 3

• Trayectoria cerrada de 680 m de longitud

ENSAYOS EN INTERIORES

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Ensayo 4

• Trayectoria cuadrada de 20 m de longitud

OBJETIVO

• Fiabilidad de la brújula en entornos hostiles

• Alcance de la fiabilidad del giróscopo

ERROR

• Ensayo giróscopo:

2.1m → 9.19%

• Ensayo brújula:

3.7m → 16.28%

ENSAYOS EN INTERIORES

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Ensayo 5

• Trayectoria recta de 30 m de longitud

ERROR

• Ensayo giróscopo: 3.8m → 12.75%

• Ensayo brújula: 0.93m → 3.11%

ENSAYOS EN ALTURA

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Ensayo 6

• Escalera de aprox. 5 metros de altura

OBJETIVO

• Fiabilidad del barómetro

CONCLUSIONES

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PROBLEMAS ENCONTRADOS

• Influencia de campos magnéticos presentes en la brújula

• Error acumulativo

• Presencia de la aceleración de la gravedad en las medidas de los

sensores

SOLUCIONES DESARROLLADAS

• Corrección del error paso por paso (detección de pasos,

acondicionamiento de señales, corrección de errores…)

• Datos calibrados con alta precisión proporcionados por el MTi / MTi-G

• Amplio abanico de sensores utilizados

CONCLUSIONES

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FUTURAS LÍNEAS

• Integración de las medidas de todos los sensores mediante filtro de

Kalman.

• Integración con sistema GPS / AGPS.

• Reconstrucción y localización en entornos

• Navegación por voz. Descripciones del movimiento, etiquetas de

voz…

• SLAM

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