Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz.

Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz que comprende obtener un mapa de puntos de luz de un recinto; detectar el movimiento de un usuario; detectar el paso bajo puntos de luz dispuestos en el recinto

, mediante un sensor luminoso provisto en un dispositivo móvil; donde además el método comprende: establecer hipótesis de ubicación inicial del usuario con respecto al mapa de puntos de luz; actualizar las hipótesis de ubicación del usuario según la información relativa al movimiento del usuario y cada vez que se detecta un punto de luz; asignar una probabilidad a las hipótesis de ubicación, y; determinar la ubicación concreta del usuario como aquella designada por la hipótesis de ubicación que tenga asignada la mayor probabilidad.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201331563.

Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC).

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: JIMENEZ RUIZ,ANTONIO RAMON, SECO GRANJA,Fernando Andrés, ZAMPELLA MÉNDEZ,Francisco.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION;... > Balizas o sistemas de balizas que transmiten señales... > G01S1/70 (que utilizan ondas electromagnéticas que no sean ondas de radio)
google+ twitter facebookPin it
Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz.

Fragmento de la descripción:

Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un método de localización en espacios interiores basado en la detección de los puntos de luz existentes convencionalmente en los techos de pasillos o estancias de un inmueble o un recinto para iluminación de los 10 distintos ambientes.

El método prevé realizar un emparejamiento o cotejo de los puntos de luz detectados con los puntos de luz que figuran en un mapa de puntos de luz de dicho recinto, obtenido de manera previa. 15

Tiene aplicación en la industria dedicada al diseño, fabricación y comercialización de sistemas de posicionamiento y navegación, y más concretamente en la industria dedicada al diseño y desarrollo de aplicaciones de localización y navegación en tabletas o teléfonos móviles de tipo SmartPhone. 20

Problema técnico a resolver y Antecedentes de la invención

En el mundo de hoy, conocer la ubicación exacta o aproximada de una persona u objeto en su desplazamiento, tanto por ambientes exteriores como interiores se hace 25 indispensable para multitud de propósitos.

En los desplazamientos de media o larga distancia de personas y mercancías, resulta extremadamente útil que el conductor de un vehículo conozca su ubicación en todo momento, y este hecho puede resultar difícil sin el apoyo de sistemas de 30 posicionamiento que provean al conductor de la información acerca de su ubicación, cuando se mueve por lugares desconocidos para él y que en ocasiones, pueden carecer de señalizaciones geográficas adecuadas en la carretera.

Los sistemas de posicionamiento vía satélite (GNSS) , como son el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) americano, el Glonass ruso o el sistema de posicionamiento europeo Galileo, basados en la recepción de señales emitidas por distintos satélites para conocer las coordenadas geográficas de un dispositivo, se han convertido en una tecnología de uso común en nuestros días. 5

No obstante, a día de hoy no existen sistemas suficientemente fiables y económicos que provean de información precisa acerca de la ubicación de personas u objetos, cuando éstos se mueven en el interior de recintos o edificios, en donde la señal de GPS no está disponible. 10

Es cierto que se han desarrollado sistemas de posicionamiento en espacios interiores basados en la emisión/recepción de señales de radio-frecuencia (RF) o señales WiFi. Dichos sistemas consisten en que un dispositivo móvil portado por una persona o por un elemento móvil autónomo recibe señales emitidas por distintos dispositivos fijos o 15 balizas dispuestas ad-hoc en ubicaciones fijas de un espacio interior. En estos casos, los dispositivos fijos proveen al dispositivo móvil de información precisa acerca de su posición en un recinto interior.

El principal inconveniente de los sistemas mencionados es que necesitan hacer una 20 instalación, específica para dicho sistema, de emisores de señales a lo largo de todo el recinto interior de un edificio.

Igualmente, y como caso particular de los sistemas mencionados anteriormente, se han desarrollado sistemas de posicionamiento de interiores basados en la captación 25 por parte de un dispositivo móvil de luz emitida por diversas fuentes de luz fijas e instaladas específicamente para dichos sistemas en distintas ubicaciones dentro de un espacio interior.

Como ejemplo de lo anterior, cabe citar la invención descrita en el artículo "Indoor 30 positioning and Navigation using Light sensor", M. Ambur, International Journal of Research in Computer and Communication Technology (IJRCCT) , vol. 2, no. 1, pp. 20-23, 2013.

Como puede verse, en dicha invención, unas fuentes de luz fluorescente instaladas expresamente para el sistema de posicionamiento, emiten señales luminosas a una frecuencia determinada, portando así información precisa acerca de su ubicación, para ser recibida por un dispositivo móvil. Este sistema presenta el mismo inconveniente de necesitar una instalación específica, adicional a las instalaciones propias de cualquier 5 inmueble.

Existen otros sistemas que mediante una cámara provista en un dispositivo móvil, captan la componente lumínica de una determinada frecuencia emitida por fuentes de luz fluorescente. Un ejemplo de estos sistemas aparece descrito en el artículo "Indoor 10 Navigation using a diverse set of cheap, wearable sensors", A. R. Golding, Third Int. Symposium on Wearable Computers, (San Francisco) , pp. 29-36, 1999.

El inconveniente de dichos sistemas es que sólo son válidos para un tipo de fuente de luz en concreto, y para luz de una determinada frecuencia. 15

El enfoque de las invenciones como la descrita en el artículo anteriormente citado es la consecución de una "huella" de la iluminación de determinadas habitaciones o áreas. No obstante, la precisión de localización obtenida por este tipo de sistemas es baja, y presentan el inconveniente añadido de la granularidad y de la necesidad de efectuar 20 calibraciones frecuentes para acomodarse a los cambios de iluminación del entorno.

Asimismo, cabe también citar el artículo "A Corridors Lights based Navigation System including Path Definition using a Topologically Corrected Map for Indoor Mobile Robots", F. Launay, et al., Proceedings 2002 IEEE, International Conference on 25 Robotics and Automation (Cat. No. 02CH37292) , vol. 4, no. May, pp. 3918-3923, 2002.

En dicho artículo aparece descrito un sistema de navegación de interiores diseñado para el posicionamiento de robots que se mueven por espacios interiores. En dicho sistema, el robot está equipado con una cámara convencional que apunta en todo 30 momento hacia el techo de un recinto interior para captar la luz proveniente de puntos de luz de la instalación lumínica convencional de un inmueble.

Este sistema presenta la ventaja de no requerir de una instalación específica y de no requerir un tipo especial de fuente de luz de una frecuencia determinada. Sin embargo, 35

la necesidad de procesamiento de las imágenes captadas por una cámara convencional provista en el robot confiere cierta complejidad añadida a dicho sistema, para discriminar cuáles son los puntos de luz dentro de la imagen.

De igual manera, se hace necesario disponer de información para cada edificio, acerca 5 del lugar en que están situados los distintos puntos de luz en cada una de las estancias y pasillos, para que el robot pueda comparar las luces detectadas con un mapa de puntos de luz. Este inconveniente se resuelve en dicho sistema mediante un recorrido realizado previamente por el robot, en el cual se captan los puntos de luz a lo largo de un recorrido. 10

El sistema mencionado anteriormente comprende un algoritmo específico de corrección de errores, para cerrar "ciclos" o recorridos cerrados por pasillos o estancias, evitando así que debido a la imprecisión de los detectores de desplazamiento, se identifiquen como puntos de luz distintos lo que en realidad es un 15 mismo punto de luz al inicio y al fin de dichos ciclos.

Los mencionados detectores de desplazamiento para robots suelen basarse en "odometría" o acumulación del número de vueltas en las ruedas y del giro de la dirección del robot. Existen otros detectores de desplazamiento basados en unidades 20 de medida inercial (también conocidos como IMU, por sus siglas en inglés) que comprenden acelerómetros que emplean la tecnología conocida como PDR (del inglés, Pedestrian Dead-Reckoning) , para medir el número de pasos dados por un usuario y la orientación en su desplazamiento.

Además, en el sistema anteriormente mencionado, se asume que sólo ha de existir un punto de luz en...

 


Reivindicaciones:

1. Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz (1) que comprende:

obtener un mapa de puntos de luz (204) de un recinto (4) , dicho mapa de puntos de luz (204) comprendiendo información relativa a la ubicación de 5 todos los puntos de luz (1) del recinto (4) susceptibles de ser detectados por medio de un sensor luminoso (201) ;

detectar el movimiento de un usuario (7) , en su recorrido (5) por el recinto (4) , mediante un sensor de movimiento (101) provisto en un dispositivo móvil (6) ; 10

detectar el paso bajo puntos de luz (1) dispuestos en el recinto (4) , mediante un sensor luminoso (201) provisto en un dispositivo móvil (6) ;

caracterizado por que además comprende:

a) estimar la ubicación inicial del usuario (7) en base a los puntos de luz (1) detectados mediante el sensor luminoso (201) del dispositivo móvil (6) , 15 estableciendo hipótesis (3) de ubicación del usuario (7) con respecto al mapa de puntos de luz (204) , donde la no detección de un punto de luz (1) implica que cualquier hipótesis (3) acerca de la ubicación inicial del usuario (7) con respecto al mapa de puntos de luz (1) es admisible;

b) actualizar las hipótesis (3) de ubicación del usuario (7) con respecto al 20 mapa de puntos de luz (204) , según la información relativa al movimiento del usuario (7) , provista por el sensor de movimiento (101) del dispositivo móvil (6) , donde las hipótesis (3) de ubicación del usuario (7) se van desplazando con respecto al mapa de puntos de luz (204) en función de dicha información relativa al movimiento; 25

c) actualizar las hipótesis (3) de ubicación del usuario (7) con respecto al mapa de puntos de luz (204) cada vez que se detecta un punto de luz (1) mediante el sensor luminoso (201) del dispositivo móvil (6) , donde las hipótesis (3) de ubicación se concentran en torno a puntos de luz (1) que

figuran en el mapa de puntos de luz (204) cada vez que se detecta un punto de luz (1) ;

d) asignar una probabilidad a las hipótesis (3) de ubicación cada vez que se detecta un punto de luz (1) mediante el sensor luminoso (201) del dispositivo móvil (6) ; 5

e) determinar la ubicación concreta del usuario (7) como aquella designada por la hipótesis (3) de ubicación que tenga asignada la mayor probabilidad;

donde:

para determinar la ubicación del usuario (7) con respecto al mapa de 10 puntos de luz (204) , se emplea una técnica de tipo filtro de partículas, PF, donde una hipótesis (3) de ubicación está constituida por al menos una partícula (2) posicionada en el mapa de puntos de luz (204) , y donde a cada partícula (2) se le asigna un estado que define su posición y orientación en el mapa de puntos de luz (204) , y; 15

la asignación de una probabilidad a cada hipótesis (3) de ubicación del usuario (7) se realiza asignando un peso a cada partícula (2) que constituye dicha hipótesis (3) de ubicación, en función de la distancia de separación existente entre cada una de las partículas (2) que 20 constituyen cada hipótesis (3) de ubicación y los puntos de luz (1) que figuran en el mapa de puntos de luz (204) .

2. Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que el mapa de puntos de luz (204) comprende información relativa al tamaño y 25 orientación de todos los puntos de luz (1) del recinto (4) .

3. Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que se define una posición y orientación de la partícula (2) según la siguiente representación matemática: 30

que incorpora la posición tridimensional de la partícula (2) en el espacio , y la orientación " " de la partícula (2) sobre el plano horizontal.

4. Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que el usuario (7) queda localizado cuando las partículas (2) que constituyen cada 5 hipótesis (3) de ubicación se concentran dentro de una única y pequeña región del recinto (4) que figura en el mapa de puntos de luz (204) , dichas partículas (2) comprendiendo posiciones y orientaciones similares, y donde el tamaño de dicha pequeña región del recinto (4) representa la precisión del método de localización.

5. Método de localización en espacios interiores basado en detección y 10 emparejamiento de puntos de luz (1) según la reivindicación 3, caracterizado por que por cada paso que da el usuario (7) , se realiza una estimación del cambio de posición y orientación que se representa matemáticamente de la siguiente manera:

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] , 15

donde "j" es un índice ordinal referido al número de pasos dado por el usuario (7) y contabilizado por el sensor de movimiento (101) del dispositivo móvil (6) , y los incrementos " están referidos a un sistema de referencia temporal del usuario (7) del dispositivo móvil (6) en el paso anterior, donde los instantes de tiempo en que se producen el paso "j-1" y sus sucesivos, se indican mediante 20 esta notación: [ ].

6. Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz (1) según la reivindicación 5, caracterizado por que se emplea un modelo de movimiento (103) establecido previamente, determinado por una matriz de covarianza que representa la incertidumbre en la 25 estimación del cambio de posición y orientación del usuario (7) en cada paso de su recorrido (5) por el recinto (4) .

7. Método de localización en espacios interiores basado en detección y 30 emparejamiento de puntos de luz (1) según la reivindicación 6, caracterizado por que se atribuye un determinado estado a cada partícula (2) que forma parte de una hipótesis (3) de ubicación, según la siguiente fórmula matemática: [ ] [ ] [ ] [ ]

donde " simboliza el estado de una partícula (2) , "i", dicho estado viniendo dado por su posición y orientación estimadas por el sensor de movimiento (101) en el paso anterior, y por una función no lineal "f" del cambio estimado de 5 orientación y posición en el último paso dado por el usuario (7) , y del número dado de pasos, donde la función f se representa matemáticamente de la siguiente manera:

( [ ] [ ]) [ ( [ ]) ( [ ]) ( [ ]) ( [ ]) ] ( [ [ ] [ ] [ ] [ ]] [ ] )

donde 10

- " [ ]" es la orientación de cada partícula (2) , "i", respecto a una referencia local, y correspondiente al paso (j) ;

- " " es un vector aleatorio de dimensión 4x1, que tiene una distribución gaussiana de media cero, y que sirve para dispersar las partículas (2) de acuerdo al modelo de movimiento (103) empleado en el 15 método de localización, y;

- "P[j]" es la matriz de covarianza que determina el modelo de movimiento (103) .

8. Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz (1) según las reivindicaciones 1 y 2, 20 caracterizado por que la asignación de una probabilidad a cada hipótesis (3) de ubicación del usuario (7) , se realiza asignando un peso a cada partícula (2) que constituye dicha hipótesis (3) de ubicación, teniendo en cuenta el tamaño y orientación de los puntos de luz (1) que figuran en el mapa de puntos de luz (204) .

9. Método de localización en espacios de interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que se emplea la siguiente fórmula matemática para la atribución de un peso a cada partícula (2) constituyente de cada hipótesis (3) de ubicación: [ ] [ ] [ ] | [ ]

donde " [ ] es el peso asignado a la partícula (2) , "i", para la detección en un instante "k" de un punto de luz (1) ; donde "k" se refiere a un instante en el que se produce una medición de luminosidad por parte del sensor luminoso 5 (201) , dicho instante "k" referido a un sistema de referencia temporal particular del sensor luminoso (201) , " [ ]", y donde el peso " [ ]" se atribuye en función de los siguientes parámetros:

- el peso " [ ]", asignado a la partícula (2) , "i", en el instante anterior, "k-1"; 10

- un estado estimado, " [ ]", de la partícula (2) , "i", en el instante "k" referido al sistema de referencia temporal particular del sensor luminoso (201) , " [ ]";

- la probabilidad, "p", de que, dado un instante "k" en el sistema de referencia temporal particular del sensor luminoso, " [ ]", y un estado 15 estimado " [ ]" para la partícula (2) , "i", se produzca una detección de un punto de luz (1) por parte del sensor luminoso (201) , " [ ]", donde la variable z[k] toma dos únicos valores, 0 ó 1, en función de que, respectivamente, en el instante "k" se produzca o no la detección de un punto de luz (1) por parte del sensor luminoso (201) ; 20

- un coeficiente " ", cuya función es normalizar los pesos atribuidos a cada partícula (2) para que la suma de todos ellos sea igual a 1.

10. Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz (1) según las reivindicaciones 7 y 9, caracterizado por que el estado estimado, " [ ]", de la partícula (2) , "i", en el 25 instante "k" referido al sistema de referencia temporal particular del sensor luminoso (201) , " [ ]" se calcula, interpolando entre dos instantes "j-1" y "j" de un sistema de referencia temporal local del sensor de movimiento (101) , [ ], siendo dichos instantes "j-1" y "j" respectivamente anterior y posterior al instante "k" en el que se ha efectuado una medición de luminosidad por parte del sensor luminoso (201) , según la siguiente fórmula matemática: [ ] [ ] [ ] [ ]

siendo [ ] [ ] [ ] [ ] , un coeficiente de interpolación.

11. Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz (1) según las reivindicaciones 9 y 10, 5 caracterizado por que la probabilidad, "p", de que, dado un instante "k" en el sistema de referencia temporal particular del sensor luminoso (201) , " [ ]", y un estado estimado " [ ]" para la partícula (2) , "i", se produzca una detección de un punto de luz (1) por parte del sensor luminoso (201) , " [ ]", se calcula mediante la siguiente expresión matemática: 10 ( [ ] | [ ]) | | { [ ] [ ] }

donde:

- " [ ]", es una posición estimada de la partícula (2) , "i", en el instante "k" referido al sistema de referencia temporal particular del sensor luminoso (201) , " [ ]", y;

- L representa el número total de puntos de luz (1) en el mapa de puntos 15 de luz (204) ;

siendo por tanto esta probabilidad la suma de múltiples gaussianas ubicadas con centro en cada punto de luz (1) y con una forma definida por el tamaño y orientación de cada punto de luz (1) , representado por " .

12. Método de localización en espacios interiores basado en detección y 20 emparejamiento de puntos de luz (1) según la reivindicación 9, caracterizado por que la variable " [ ]" se evalúa mediante las siguientes operaciones:

- filtrado de paso bajo;

- cálculo de la derivada de la luminosidad;

- detección de pico basada en encontrar un paso por cero rodeado, antes y después, por unos valores mínimos de la derivada de luminosidad.

13. Método de localización en espacios interiores basado en detección y emparejamiento de puntos de luz (1) según la reivindicación 11, caracterizado por que la ubicación más probable de un usuario (7) tras el paso "j" y la medida 5 "k" se calcula mediante la siguiente expresión matemática: [ ] [ ]

donde

- N es el número total de partículas (2) , "i", que constituyen las hipótesis (3) de ubicación;

- [ ] { [ ] [ ] [ ] [ ]}, es el estado de cada partícula (2) 10 tras el paso "j" dado por el usuario (7) , y;

-