Aplicación de una red de sensores inalámbricos distribuidos de bajo coste para estrenar el posicionamiento de objetos en 3 dimensiones mediante el uso de señales de ultrasonidos
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Date
2021-04-30
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Publisher
Centro Universitario de la Defensa de Marín
Abstract
El desarrollo de sistemas de posicionamiento y la digitalización de experimentos constituyen una de
las herramientas clave que permite el seguimiento en tiempo real, y además dota de la capacidad de
realizar análisis de los datos que hayan sido almacenados. En particular, el posicionamiento de alta
precisión mediante una red de sensores de ultrasonido permite evaluar, por ejemplo, el comportamiento
de sistemas de navegación y posicionamiento inercial en maquetas de barcos a escala o el estudio de las
deformaciones (en ciertos ensayos de materiales) realizados, ambos, en entornos de laboratorio mediante
la aplicación un sistema de bajo coste. Con el objetivo de validar la posibilidad de esta propuesta, se
planteó la posibilidad de crear un prototipo operativo basado en módulos de ultrasonido que, mediante
técnicas de cálculo de tiempo de vuelo y posicionamiento en 3 dimensiones, permitiese calcular la
distancia entre un emisor y un sensor receptor
De esta forma el objetivo principal del TFG es la creación de una maqueta que permita realizar el
análisis de las diferentes opciones, que permiten calcular el posicionamiento relativo de una serie de
sensores distribuidos de bajo coste, y emplear esta información con múltiples receptores para estimar la
posición y orientación en 3D de un objeto con respecto a unas bases emisoras de pulsos de ultrasonidos
Es importante destacar que el proceso de cálculo de tiempo de vuelo requiere del uso de
sincronización temporal, la cual, en este TFG, se ha realizado empleando señales de radiofrecuencia,
que se encargan de informar del disparo de los pulsos de ultrasonido, empleando la diferencia de llegada
entre ambas señales para poder calcular la distancia a la que se sitúa el emisor del pulso. Con el fin de
poder transmitir la información procedente de los sensores, se realizó una emisión de estos en tiempo
real por vía Wi-Fi empleando un servidor con soporte para el protocolo MQTT para la comunicación
multipunto a punto., de forma que un programa en Python se encarga de recibir esta información y
almacenarla para su procesado posterior.
El primer paso del procesado de la información pasa por la reducción de los niveles de ruido
presente, el cual se caracteriza por un ruido de lata frecuencia típico de los sensores, y la introducción
de outliers en determinados instantes donde el receptor no llega a captar el pulso emitido. A
continuación, se procede a generar un modelo de regresión que permita traducir el tiempo de vuelo
calculado con respecto a la distancia real obtenida, para lo cual se realiza una serie de pruebas de toma
de datos de calibración. Finalmente, se aplica un filtro de Kalman para obtener una estimación del ángulo
de roll de un objeto apartide la información generada por dos receptores instalados sobre un objeto, y se
comparan los resultados con los obtenidos mediante sensores inerciales (IMU).
Description
Keywords
Radiofrecuencia, Ultrasonidos, Posicionamiento3D, Sensores distribuidos