ES2619948T3 - Sistema de navegación para explorar y/o monitorizar entornos desconocidos y/o difíciles - Google Patents
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Abstract
Sistema de navegación para explorar y/o monitorizar un entorno, que comprende: * un nodo primario que comprende una interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva; * una pluralidad de nodos secundarios (13) diseñados para desplegarse en dicho entorno, incluyendo cada nodo secundario (13) una interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva; en el que el nodo primario y los nodos secundarios (13) están configurados para formar una red de localización y comunicación jerárquica en la que: * el nodo primario está asociado con un nivel jerárquico primario y cada nodo secundario (13) está asociado con un nivel jerárquico secundario respectivo menor que el nivel jerárquico primario; * cada nodo está configurado para enviar y recibir mensajes a través de la red de localización y comunicación jerárquica usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva; * cada nodo secundario (13) está configurado para - llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia con respecto a, y junto con, otros nodos secundarios (13) asociados con el mismo nivel jerárquico secundario con el que está asociado dicho nodo secundario (13), y con respecto a, y junto con, otros nodos asociados con niveles jerárquicos adyacentes al nivel jerárquico secundario con el que está asociado dicho nodo secundario (13), y - enviar al nodo primario mensajes relacionados con la distancia referentes a las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicho nodo secundario (13); * el nodo primario está configurado para - llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia con respecto a, y junto con, nodos secundarios (13) asociados con un nivel jerárquico secundario inmediatamente inferior al nivel jerárquico primario, - calcular, basándose en las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicho nodo primario y los mensajes relacionados con la distancia recibidos desde los nodos secundarios (13), un sistema de coordenadas de referencia local indicativo de las posiciones de los nodos secundarios (13) con respecto al nodo primario; * un módulo de control de misión (11) acoplado al nodo primario y diseñado para colocarse en dicho entorno y para controlar una misión de exploración y/o monitorización en dicho entorno; * un vehículo no tripulado (12) que puede hacerse funcionar para llevar a cabo la misión de exploración y/o monitorización en dicho entorno; * en el que el vehículo no tripulado (12) comprende una unidad de control de vehículo que incluye una interfaz de radiocomunicación predefinida respectiva y una interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva y que está configurada para recibir datos desde el módulo de control de misión (11) usando la interfaz de radiocomunicación predefinida respectiva; * en el que la unidad de control de vehículo está configurada además para - llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia con respecto a, y junto con, uno o más nodos de la red de localización y comunicación jerárquica, - calcular una posición del vehículo no tripulado (12) en el sistema de coordenadas de referencia local basándose en los datos de navegación recibidos desde el módulo de control de misión (11) y en las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicha unidad de control de vehículo, y - pilotar el vehículo no tripulado (12) en dicho entorno basándose en los datos de misión y en los datos de navegación recibidos desde el módulo de control de misión (11), las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicha unidad de control de vehículo y la posición del vehículo no tripulado (12) en el sistema de coordenadas de referencia local; estando el sistema de navegación caracterizado porque: - cada nodo secundario (13) está configurado para enviar al nodo primario mensajes relacionados con la integridad que indican un estado respectivo de integridad operativa de dicho nodo secundario (13); - el nodo primario está configurado para determinar un estado de integridad global de la red de localización y comunicación jerárquica basándose en los mensajes relacionados con la integridad recibidos desde los nodos secundarios (13), las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicho nodo primario y los mensajes relacionados con la distancia recibidos desde los nodos secundarios (13), siendo dicho estado de integridad global de la red de localización y comunicación jerárquica indicativo de los estados de integridad operativa de los nodos secundarios (13) y de niveles de fiabilidad y exactitud de las posiciones de los nodos secundarios (13) en el sistema de coordenadas de referencia local; y - el módulo de control de misión (11) comprende una interfaz de radiocomunicación predefinida respectiva y está configurado para enviar datos de misión referentes a la misión de exploración y/o monitorización y datos de navegación referentes al sistema de coordenadas de referencia local y el estado de integridad global de la red de localización y comunicación jerárquica a la unidad de control de vehículo usando la interfaz de radiocomunicación predefinida respectiva.
Description
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DESCRIPCION
Sistema de navegacion para explorar y/o monitorizar entornos desconocidos y/o diffciles Campo tecnico de invencion
La presente invencion se refiere a un sistema de navegacion para explorar y/o monitorizar entornos desconocidos y/o diffciles (o inaccesibles), tales como:
• objetos (o cuerpos) celestes, por ejemplo, planetas, satelites naturales, estrellas y asteroides;
• zonas afectadas por desastres, por ejemplo zonas afectadas por terremotos y/o tsunamis y/o inundaciones y/o implicadas en erupciones volcanicas y/o derrumbamientos; y
• entornos submarinos.
Estado de la tecnica
Tal como se conoce, con el fin de explorar y/o monitorizar entornos desconocidos y/o diffciles (o inaccesibles), por ejemplo con el fin de explorar un planeta extraterrestre, o con el fin de explorar y/o monitorizar una zona submarina, o con el fin de monitorizar una zona afectada por un desastre, actualmente se usan vehffculos no tripulados o controlados de manera remota, por ejemplo robots, que estan configurados para moverse en dichos entornos y para adquirir datos sobre el entorno circundante durante el movimiento. Por ejemplo, en el campo de la astronautica se usan vehffculos terrestres no tripulados denominados rovers.
En este contexto, la capacidad de un vehffculo no tripulado o controlado de manera remota, denominados a continuacion en el presente documento, por motivos de simplicidad de la descripcion, robot o rover, para determinar su posicion mientras esta moviendose, en particular la capacidad para estimar su posicion y para determinar la exactitud, es decir la fiabilidad, de esta estimacion, es esencial por diversos motivos.
En primer lugar, a un robot/rover se le asignan con frecuencia objetivos que deben alcanzarse, que se expresan en cuanto a la posicion. Por ejemplo, un robot/rover puede recibir ordenes que le indican que alcance una posicion espedfica, que explore una zona espedfica, que vuelva a las proximidades de un punto de referencia predefinido, etc.
En segundo lugar, la estimacion de la posicion de un robot/rover y la exactitud, o fiabilidad, de esta estimacion estan vinculadas con la navegacion de largo alcance para la construccion de mapas globales del entorno explorado/monitorizado, para hallar las trayectorias o trayectos que debe seguir el robot/rover y para permitir la supervision de la mision. En particular, la consistencia espacial de los mapas generados es esencial para un funcionamiento eficiente y robusto del robot/rover y es el conocimiento mismo de la posicion del robot/rover lo que garantiza esta consistencia.
Finalmente, la correcta ejecucion de las trayectorias geometricas proporcionadas por un planificador de trayectos esta vinculada con el conocimiento exacto del movimiento del robot/rover.
Por tanto, la autolocalizacion del robot/rover es uno de los problemas fundamentales que deben abordarse en el campo de la navegacion autonoma.
Cuando se planifica una mision de exploracion/monitorizacion en entornos desconocidos/diffciles, pueden tenerse en cuenta ventajosamente sistemas de satelites de navegacion global (GNSS), tales como los sistemas Galileo, GPS, GLONASS y similares. Sin embargo, en el uso de estos sistemas, tambien es necesario tener en cuenta las posibles interrupciones del servicio de estos sistemas, el deterioro de las prestaciones en algunos entornos y el hecho de que la exactitud requerida en la localizacion y navegacion de robots/rovers (del orden de un cenffmetro en determinadas zonas con obstaculos y limitaciones) requiere sistemas diferenciales muy costosos. Tambien en el campo de la astronautica, en el que, ademas, las prestaciones son menos rigurosas, es posible concebir el uso de una constelacion de satelites artificiales de tipo GNSS que permiten la localizacion de un rover.
Actualmente se usan diferentes metodos para la autolocalizacion de un robot o de un rover en misiones de exploracion/monitorizacion en entornos desconocidos/diffciles. En particular, con el fin de lograr la autonoirffa en la navegacion de largo alcance de un robot o rover, puede usarse lo siguiente:
• metodos de estimacion del movimiento;
• metodos de refinamiento de la posicion; y
• metodos de localizacion absoluta.
En detalle, pueden usarse metodos de estimacion del movimiento para medir la aceleracion, velocidad y desplazamientos entre dos posiciones conocidas integrando datos sin procesar (odometffa, navegacion inercial,
estimacion de movimiento visual, etc.). En metodos de estimacion del movimiento, el error sobre la estimacion de la posicion obtenida aumenta a lo largo del tiempo, independientemente del tipo de movimiento.
En vez de eso, los metodos de refinamiento de la posicion permiten estimar la posicion de un robot o rover (o corregir una estimacion de posicion inicial) usando modelos del entorno. Estos modelos pueden describir 5 caractensticas del entorno utiles para la localizacion del robot/rover, por ejemplo puntos de referencia, y/o representar con continuidad la geometna del terreno, tal como modelos de elevacion digitales (DEM).
Finalmente, los metodos de localizacion absoluta tienen el objetivo de localizar un robot o rover con respecto a un modelo global inicial del entorno que puede construirse, por ejemplo, basandose en imagenes adquiridas por satelites o en modelos digitales del terreno determinados basandose en dichas imagenes.
10 La siguiente tabla resume el comportamiento del error y la frecuencia de funcionamiento ffpica de los tres tipos mencionados anteriormente de metodos para la autolocalizacion de un robot/rover junto con las tecnicas que se encuentran dentro de los tres tipos diferentes.
TABLA
- TIPO
- COMPORTAMIENTO DEL ERROR FRECUENCIA DE ERROR TfPICA TECNICAS
- Metodos de estimacion del movimiento
- Aumento ilimitado del error de estimacion 10 Hz • Navegacion inercial • Odometna • Estimacion de movimiento por vision estereoscopica
- Metodos de refinamiento de la posicion
- El error aumenta cuando se exploran nuevas zonas, mientras que disminuye cuando se cruzan zonas ya visitadas 1 Hz • Localizacion por puntos de referencia; • Localizacion basada en DEM; • Indexado de vista panoramica
- Metodos de localizacion absoluta
- Limitado 0,1 Hz • Localizacion basada en modelos
Ademas, tambien se conocen redes moviles ad hoc (MANET) que se adaptan a entornos de redes moviles ad hoc 15 que cambian de manera dinamica y proporcionan capacidad de conocimiento de la ubicacion. Por ejemplo, el documento US 2007/115895 A1 da a conocer una red MANET hffbrida y un metodo de hacer funcionar la misma, que incluye un nodo de red movil y una pluralidad de nodos de red estaticos distribuidos aleatoriamente a lo largo de una zona de cobertura con una densidad predeterminada. Los nodos de red estaticos forman un esqueleto de infraestructura estatica de la red MANET tnbrida. La informacion sobre la posicion de los nodos de red estaticos, o 20 bien mediante conocimiento de la posicion o bien mediante triangulacion con referencia a los otros nodos estaticos, potencia la funcion de la red. El metodo rastrea la posicion del nodo movil con un mmimo de sobrecarga debido a la infraestructura fija de nodos estaticos. La infraestructura puede autorrepararse colocando un exceso de nodos estaticos en un estado en hibernacion, y activandolos en respuesta al fallo de un nodo estatico cercano.
Objeto y sumario de la invencion
25 El solicitante ha realizado un estudio en profundidad sobre los sistemas de navegacion actualmente usados en misiones de exploracion/monitorizacion en entornos desconocidos/diffciles y, al final de este estudio, constato la necesidad de desarrollar un sistema de navegacion innovador para entornos desconocidos y/o diffciles que funcione de manera mas fiable y sea mas robusto que los actualmente conocidos y que posteriormente pueda usarse ventajosamente para la navegacion de un robot/rover en estos entornos, para explorar estos entornos y para 30 monitorizar estos entornos.
Por tanto, el objeto de la presente invencion es el de proporcionar un sistema de navegacion del tipo anteriormente mencionado.
El objeto anteriormente mencionado se logra mediante la presente invencion ya que se refiere a un sistema de navegacion para misiones de exploracion y/o monitorizacion en entornos desconocidos y/o diffciles, tal como se 35 define en las reivindicaciones adjuntas.
En particular, la presente invencion se refiere a un sistema de navegacion para explorar y/o monitorizar entornos desconocidos y/o diffciles, que comprende:
• un modulo de control de mision disenado para colocarse en un entorno desconocido y/o diffcil y para controlar una mision de exploracion y/o monitorizacion de dicho entorno desconocido y/o diffcil;
40 • un vehffculo no tripulado que puede hacerse funcionar para llevar a cabo la mision de exploracion y/o
monitorizacion de dicho entorno desconocido y/o diffcil;
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• un nodo primario acoplado al modulo de control de mision y que comprende una interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva; y
• una pluralidad de nodos secundarios disenados para desplegarse en dicho entorno desconocido y/o diffcil; incluyendo cada nodo secundario una interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva.
En detalle, el nodo primario y los nodos secundarios estan configurados para formar una red de localizacion y comunicacion jerarquica en la que:
• el nodo primario esta asociado con un nivel jerarquico primario y cada nodo secundario esta asociado con un nivel jerarquico secundario respectivo menor que el nivel jerarquico primario;
• cada nodo esta configurado para enviar y recibir mensajes a traves de la red de localizacion y comunicacion jerarquica usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva;
• cada nodo secundario esta configurado para
- llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia con respecto a, y junto con, otros nodos secundarios asociados con el mismo nivel jerarquico secundario con el que esta asociado dicho nodo secundario, y con respecto a, y junto con, otros nodos asociados con niveles jerarquicos adyacentes al nivel jerarquico secundario con el que esta asociado dicho nodo secundario, y
- enviar al nodo primario mensajes relacionados con la distancia referentes a las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicho nodo secundario y mensajes relacionados con la integridad que indican un estado respectivo de integridad operativa de dicho nodo secundario; y
• el nodo primario esta configurado para
- llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia con respecto a, y junto con, nodos secundarios asociados con un nivel jerarquico secundario inmediatamente inferior al nivel jerarquico primario,
- calcular, basandose en las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicho nodo primario y los mensajes relacionados con la distancia recibidos desde los nodos secundarios, un sistema de coordenadas de referencia local indicativo de las posiciones de los nodos secundarios con respecto al nodo primario, y
- determinar un estado de integridad global de la red de localizacion y comunicacion jerarquica basandose en los mensajes relacionados con la integridad recibidos desde los nodos secundarios, las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicho nodo primario y los mensajes relacionados con la distancia recibidos desde los nodos secundarios, siendo dicho estado de integridad global de la red de localizacion y comunicacion jerarquica indicativo de los estados de integridad operativa de los nodos secundarios y de niveles de fiabilidad y exactitud de las posiciones de los nodos secundarios en el sistema de coordenadas de referencia local.
Ademas, el vehnculo no tripulado comprende una unidad de control de vehnculo que incluye una interfaz de radiocomunicacion predefinida respectiva y una interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva y que esta configurada para recibir datos desde el modulo de control de mision usando la interfaz de radiocomunicacion predefinida respectiva.
El modulo de control de mision comprende una interfaz de radiocomunicacion predefinida respectiva y esta configurado para enviar datos de mision referentes a la mision de exploracion y/o monitorizacion y datos de navegacion referentes al sistema de coordenadas de referencia local y el estado de integridad global de la red de localizacion y comunicacion jerarquica a la unidad de control de vehnculo usando la interfaz de radiocomunicacion predefinida respectiva.
Finalmente, la unidad de control de vehnculo esta configurada ademas para:
• llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia con respecto a, y junto con, uno o mas nodos de la red de localizacion y comunicacion jerarquica;
• calcular una posicion del vehnculo no tripulado en el sistema de coordenadas de referencia local basandose en los datos de navegacion recibidos desde el modulo de control de mision y en las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicha unidad de control de vehnculo; y
• pilotar el vehnculo no tripulado en dicho entorno desconocido y/o diffcil basandose en los datos de mision y en los datos de navegacion recibidos desde el modulo de control de mision, las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicha unidad de control de vehnculo y la posicion del vehnculo no tripulado en el sistema de coordenadas de referencia local.
Breve descripcion de los dibujos
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Para una mejor comprension de la presente invencion, ahora se ilustraran algunas realizaciones preferidas, proporcionadas a modo de ejemplo explicativo y no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos (no a escala), en los que:
• la figura 1 muestra esquematicamente ejemplos de comunicaciones de radio realizadas en un sistema de navegacion segun una realizacion preferida de la presente invencion;
• la figura 2 muestra esquematicamente la entrada de un vetuculo espacial en la atmosfera de un planeta extraterrestre, y el descenso y aterrizaje del vetuculo espacial en el planeta extraterrestre;
• la figura 3 muestra esquematicamente la liberacion de dispositivos de comunicacion inalambrica durante el descenso de un vetuculo espacial en un planeta extraterrestre segun una realizacion preferida de la presente invencion;
• la figura 4 muestra esquematicamente un ejemplo de protocolo de comunicacion que puede usarse segun una realizacion preferida de la presente invencion para activary configurar un dispositivo de comunicacion inalambrica; y
• la figura 5 muestra esquematicamente un calculo de coordenadas de un dispositivo de comunicacion inalambrica segun una realizacion preferida de la presente invencion.
Descripcion detallada de realizaciones preferidas de la invencion
La siguiente descripcion se proporciona para permitir que un experto en el campo realice y use la invencion. Diversas modificaciones a las realizaciones presentadas resultaran facilmente evidentes para los expertos y los principios generales dados a conocer en el presente documento tambien pueden aplicarse a otras realizaciones y aplicaciones, sin apartarse sin embargo del alcance de proteccion de la presente invencion.
Por tanto, la presente invencion no debe considerarse limitada unicamente a las realizaciones descritas e ilustradas, sino que se le debe conceder el mayor alcance de proteccion compatible con los principios y caractensticas presentados en el presente documento y definidos en las reivindicaciones adjuntas.
En particular, a continuacion en el presente documento, por motivos de simplicidad de la descripcion, se describira una realizacion preferida de la presente invencion que se refiere a la navegacion de un rover, es decir un vehfculo terrestre no tripulado, en un planeta extraterrestre, pero, tal como se menciono anteriormente, la presente invencion no debe considerarse limitada unicamente a esta realizacion preferida. De hecho, la presente invencion puede usarse ventajosamente para:
• la navegacion de cualquier tipo de vetuculo, no tripulado o controlado de manera remota, que esta configurado para moverse sobre superficies y/o por debajo del agua; y
• la localizacion y/o navegacion en y/o exploracion y/o monitorizacion de, cualquier entorno desconocido y/o diffcil (o inaccesible), tal como
- un objeto (o cuerpo) celeste, tal como un planeta, un satelite natural o un asteroide,
- una zona afectada por un desastre, por ejemplo una zona afectada por un terremoto y/o un tsunami y/o inundacion y/o implicada en una erupcion volcanica y/o un derrumbamiento,
- un entorno submarino, etc.
Tal como se menciono anteriormente, una realizacion preferida de la presente invencion se refiere a un sistema de navegacion para un rover que funciona en un planeta extraterrestre.
En particular, dicho sistema de navegacion comprende:
• un modulo de descenso que, tal como se conoce, es un modulo espacial, o una nave espacial, que desciende y aterriza sobre la superficie de un cuerpo celeste, es decir, en el caso en cuestion, sobre la superficie de un planeta extraterrestre, y que, segun la realizacion preferida de la presente invencion, esta equipado con una primera interfaz de radio de corto alcance basada en tecnologfa de banda ultra ancha (UWB) y con una segunda interfaz de radio de largo alcance que tambien puede basarse en tecnologfa de banda ultra ancha (UWB) o puede basarse en una tecnologfa de radiocomunicacion diferente;
• al menos un rover, es decir un vehuculo terrestre no tripulado, que esta configurado para moverse sobre la superficie del planeta extraterrestre y esta equipado con una primera interfaz de radio de corto alcance basada en tecnologfa de UWB y con una segunda interfaz de radio de largo alcance basada en la misma tecnologfa de radiocomunicacion que la segunda interfaz de radio de largo alcance del modulo de descenso (UWB u otra tecnologfa de radiocomunicacion); y
• una pluralidad de dispositivos de comunicacion inalambrica que a continuacion en el presente documento se
denominaran, por motivos de simplicidad de la descripcion, dispositivos inalambricos, que estan equipados cada uno con una interfaz de radio de corto alcance respectiva basada en tecnolog^a de UWB, y que estan previstos, en uso, para desplegarse en una zona de la superficie del planeta extraterrestre que representa la zona de funcionamiento del sistema de navegacion, es decir la zona en la que el sistema de navegacion proporciona al rover el servicio de 5 localizacion y navegacion.
En el texto a continuacion, por motivos de simplicidad de la descripcion, se hara referencia a un unico rover, se entendera que la descripcion referente a la navegacion de un unico rover puede extenderse a la navegacion de una pluralidad de rovers y, mas en general, a la navegacion de una pluralidad de vefuculos no tripulados o controlados de manera remota que estan configurados para moverse sobre superficies y/o debajo del agua.
10 Ademas, a continuacion en el presente documento se describira en detalle el funcionamiento del sistema de navegacion segun la realizacion preferida de la presente invencion, presentando las diversas funcionalidades de cada componente de dicho sistema. En particular, a continuacion en el presente documento las diversas funcionalidades de cada componente del sistema de navegacion se describiran a menudo, por motivos de simplicidad de la descripcion, como implementadas por el componente en su conjunto, por ejemplo a continuacion 15 en el presente documento a menudo se describiran las funcionalidades implementadas por el modulo de descenso en su conjunto y las funcionalidades implementadas por el rover en su conjunto. Con respecto a esto, es importante entender que, con el fin de definir y proporcionar una comprension de la presente invencion, es esencial describir las funcionalidades implementadas por cada componente y que, tras haberse descrito estas funcionalidades, el tipo de arquitectura de hardware y software que permite que este componente implemente la funcionalidad respectiva 20 quedara claro para el experto en el campo. Por ejemplo, al final de la siguiente descripcion quedara claro para el experto en el campo que, con el fin de implementar las funcionalidades respectivas, el modulo de descenso puede comprender ventajosamente:
• un aparato de comunicacion que incluye la primera interfaz de radio de corto alcance respectiva basada en tecnologfa de UWB y la segunda interfaz de radio de largo alcance respectiva, y que esta configurado para usar
25 estas interfaces para comunicarse con, enviar ordenes a, e intercambiar datos con, el/los rover(s) y los dispositivos inalambricos tal como se describira a continuacion en el presente documento;
• una unidad de procesamiento de datos configurada para llevar a cabo el procesamiento y los calculos que se describiran a continuacion en el presente documento en relacion al modulo de descenso;
• una unidad de control de mision configurada para monitorizar y controlar la mision del/de los rover(s) basandose en 30 la informacion proporcionada por el/los rover(s) y en la informacion obtenida a traves del sistema de navegacion tal
como se describira a continuacion en el presente documento;
• etc.
De la misma manera, al final de la siguiente descripcion, quedara claro para el experto en el campo que cada rover, con el fin de implementar las funcionalidades respectivas, puede comprender ventajosamente:
35 • un aparato de comunicacion respectivo que incluye la primera interfaz de radio de corto alcance respectiva basada
en tecnologfa de UWB y la segunda interfaz de radio de largo alcance respectiva, y que esta configurado para usar estas interfaces para comunicarse e intercambiar datos con el modulo de descenso y los dispositivos inalambricos tal como se describira a continuacion en el presente documento;
• una unidad de procesamiento de datos respectiva para llevar a cabo procesamiento y calculos tal como se 40 describira a continuacion en el presente documento;
• una unidad de control de vefuculo respectiva configurada para pilotar el rover basandose en la informacion obtenida a traves del sistema de navegacion tal como se describira a continuacion en el presente documento;
• etc.
Volviendo ahora a la descripcion del sistema de navegacion segun la realizacion preferida de la presente invencion, 45 el modulo de descenso y los dispositivos inalambricos estan configurados para formar una red de localizacion y comunicacion jerarquica que funciona como un sistema de localizacion para el rover. En esta red de localizacion y comunicacion jerarquica el modulo de descenso calcula, tal como se explicara en detalle a continuacion en el presente documento, un sistema de referencia local basandose en la distancia o el alcance, mediciones que calcula cada dispositivo inalambrico con respecto a los dispositivos inalambricos con los que dicho dispositivo inalambrico 50 puede establecer una comunicacion inalambrica a traves de la interfaz de radio de corto alcance basada en tecnologfa de UWB (posicionamiento cooperativo). El rover se considera un “nodo dinamico” de la red de localizacion y comunicacion jerarquica y puede recuperar su posicion en el sistema de referencia local tanto calculando su posicion de manera autonoma como recibiendo informacion y datos desde la unidad de procesamiento de datos del modulo de descenso.
55 Mas en detalle, el modulo de descenso funciona como nodo primario de la red de localizacion y comunicacion
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jerarquica y representa el origen del sistema de referencia local. El rover se comunica, a traves de la interfaz de radio de corto alcance basada en tecnolog^a de UWB, con los dispositivos inalambricos con el fin de determinar su posicion en el sistema de referencia local. En particular, la posicion del rover se determina en el sistema de referencia local y, si el modulo de descenso esta indicado en un sistema de referencia global, por ejemplo un sistema de referencia planetario, entonces tambien puede calcularse la posicion del rover en el sistema de referencia global. Esta capacidad conduce a la posibilidad de indicar la posicion del rover con respecto a un sistema de referencia planetario y, por tanto, a la posibilidad de indicar, con respecto a un sistema de referencia planetario, tambien la informacion y los datos, en cuanto a la posicion, recopilados por cualquier sensor con el que puedan estar ventajosamente equipados el modulo de descenso, el rover y los dispositivos inalambricos.
El protocolo de comunicacion usado por los dispositivos inalambricos hace posible:
• calcular el sistema de referencia local requerido para la navegacion del rover en la zona de funcionamiento del sistema de navegacion;
• dotar al rover de la informacion util para calcular su posicion en la zona de funcionamiento del sistema de navegacion;
• optimizar el acceso al canal de radio basandose en tecnologfa de UWB y usar los recursos de radio de los dispositivos inalambricos;
• implementar mecanismos que permiten que la red de localizacion y comunicacion jerarquica funcione como red de comunicacion de respaldo para la transferencia de datos y/o informacion entre el rover y el modulo de descenso;
• monitorizar el estado de los dispositivos inalambricos individuales;
• proporcionar los datos necesarios para calcular la integridad del sistema de navegacion; e
• implementar las funcionalidades de barrera logica para delimitar la zona de funcionamiento del sistema de navegacion y para proporcionar alarmas de proximidad al rover con el fin de prevenir colisiones.
Ademas, el protocolo de comunicacion usado por los dispositivos inalambricos permite que cada dispositivo inalambrico se comunique con el modulo de descenso a traves de un mecanismo de enrutamiento que usa dispositivos inalambricos intermedios (mecanismo de enrutamiento de “multiples saltos”) en el caso en el que el modulo de descenso este fuera del alcance de comunicacion directo de la interfaz de radio de corto alcance basada en tecnologfa de UWB de dicho dispositivo inalambrico.
El sistema de navegacion implementa un concepto de calculo centralizado con el fin de minimizar el consumo de energfa de los dispositivos inalambricos. De hecho, la unidad de procesamiento de datos del modulo de descenso lleva a cabo calculos que son mas costosos en cuanto al poder de calculo requerido, tales como:
• calculo de la geometna del sistema de referencia local basandose en la informacion enviada por los dispositivos inalambricos individuales;
• calculo de los trayectos de enrutamiento; y
• determinacion del estado de integridad del sistema de navegacion.
Ademas, la unidad de procesamiento de datos del modulo de descenso tambien puede proporcionar ventajosamente un calculo auxiliar/complementario de la posicion del rover basandose en las senales que recibe el rover desde los dispositivos inalambricos, por ejemplo en el caso en el que el rover requiera ahorrar energfa o en el caso en el que los recursos de calculo del rover deban desviarse a otras tareas.
El sistema de navegacion usa dos canales de radiocomunicacion diferentes:
• un primer canal de radio basado en tecnologfa de UWB que se usa para las mediciones de distancia llevadas a cabo por los dispositivos inalambricos y para comunicaciones entre dispositivos inalambricos, para las mediciones de distancia llevadas a cabo de manera cooperativa por los dispositivos inalambricos y por el modulo de descenso, para comunicaciones entre los dispositivos inalambricos y el modulo de descenso, y para comunicaciones entre los dispositivos inalambricos y el rover; el primer canal de radio tambien puede usarse ventajosamente como canal redundante para transferir datos entre el rover y el modulo de descenso; cada dispositivo inalambrico accede al primer canal de radio usando la interfaz de radio de corto alcance respectiva basada en tecnologfa de UWB; el modulo de descenso y el rover acceden al primer canal de radio cada uno usando la primera interfaz de radio de corto alcance respectiva basada en tecnologfa de UWB; y
• un segundo canal de radio que se usa para comunicaciones entre el modulo de descenso y el rover; el modulo de descenso y rover acceden el segundo canal de radio usando cada uno la segunda interfaz de radio de largo alcance respectiva; las caractensticas del segundo canal de radio (banda, modulacion, codificacion, potencia, etc.) dependen del tipo de mision y permiten que el modulo de descenso se comunique con el rover en toda la zona cubierta por el
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primer canal de radio mas un margen de seguridad que depende de los parametros de la mision (por ejemplo, la velocidad del rover, el retardo con el que se procesan ordenes, etc.); dado que la tecnologfa de UWB tambien puede usarse para comunicaciones de largo alcance, las segundas interfaces de radio de largo alcance del modulo de descenso y del rover, tal como se describio anteriormente, tambien pueden basarse en tecnologfa de UWB y, por tanto, el segundo canal de radio tambien puede basarse en tecnologfa de UWB; en el caso en el que las segundas interfaces de radio de largo alcance del modulo de descenso y del rover tambien se basen en tecnologfa de UWB, estas interfaces no seran adecuadas para realizar mediciones de distancia precisas y por consiguiente no se usaran para este fin; por tanto, con el fin de implementar la presente invencion, es posible usar, por motivos de eficiencia/simplicidad del diseno y/o consumo de energfa, una infraestructura radiocomunicacion de UWB doble: una primera infraestructura de radiocomunicacion de UWB de corto alcance para mediciones de distancia y comunicaciones de corto alcance, y una segunda infraestructura de radiocomunicacion de UWB para comunicaciones de largo alcance y sin necesidad de enrutamiento; ademas, en el caso en el que las segundas interfaces de radio de largo alcance del modulo de descenso y del rover tambien se basen en tecnologfa de UWB, pueden usarse ventajosamente diferentes modulaciones y/o diferentes potencias de transmision en dos canales de radio con el fin de minimizar la interferencia mutua; en cualquier caso, de nuevo tal como se describio anteriormente, las segundas interfaces de radio de largo alcance del modulo de descenso y del rover (y, por tanto, el segundo canal de radio) pueden basarse en una tecnologfa de radiocomunicacion diferente; por ejemplo, las segundas interfaces de radio de largo alcance del modulo de descenso y del rover pueden ser ventajosamente las usadas normalmente en misiones de exploracion para el intercambio de datos entre modulo de descenso y rover.
La figura 1 muestra esquematicamente ejemplos de comunicaciones de radio basados en los dos canales de radio anteriormente mencionados.
En particular, la figura 1 muestra:
• el modulo de descenso (indicado con 11);
• el rover (indicado con 12);
• los dispositivos inalambricos (indicados con 13) desplegados sobre la superficie del planeta extraterrestre;
• una primera zona de cobertura de radio (representada por un primer cfrculo indicado en su conjunto con 14), que representa la zona cubierta por el primer canal de radio para las comunicaciones basadas en tecnologfa de UWB del modulo de descenso 11;
• una segunda zona de cobertura de radio (representada por un segundo cfrculo indicado en su conjunto con 15), que representa la zona cubierta por el primer canal de radio para las comunicaciones basadas en tecnologfa de UWB del rover 12;
• una tercera zona de cobertura de radio (representada por un tercer cfrculo indicado en su conjunto con 16), que representa la zona cubierta por el segundo canal de radio para las comunicaciones de largo alcance entre el modulo de descenso 11 y el rover 12;
• una primera radiocomunicacion bidireccional (representada por una primera flecha de puntos bidireccional) basada en tecnologfa de UWB, es decir llevada a cabo en el primer canal de radio, entre el modulo de descenso 11 y un primer dispositivo inalambrico 13 que se encuentra dentro de la primera zona de cobertura 14;
• segundas comunicaciones de radio bidireccionales (representadas por segundas flechas de puntos bidireccionales) basadas en tecnologfa de UWB, es decir llevadas a cabo en el primer canal de radio, entre segundos dispositivos inalambricos 13 que se encuentran dentro de la segunda zona de cobertura 15 y entre el rover 12 y dichos segundos dispositivos inalambricos 13;
• una tercera radiocomunicacion bidireccional (representada por una flecha de puntos y rayas bidireccional) llevada a cabo en el segundo canal de radio entre el modulo de descenso 11 y el rover 12; y
• cuartas comunicaciones de radio bidireccionales (representadas por flechas de rayas bidireccionales) entre el modulo de descenso 11 y los segundos dispositivos inalambricos 13 que se encuentran dentro de la segunda zona de cobertura 15; dichas cuartas comunicaciones de radio bidireccionales se basan en tecnologfa de UWB, es decir se llevan a cabo en el primer canal de radio, y se implementan mediante el mecanismo de enrutamiento de multiples saltos (que se introdujo anteriormente y que se describira en detalle a continuacion en el presente documento) de la red de localizacion y comunicacion jerarquica.
En la figura 1 puede observarse que algunos dispositivos inalambricos 13 tambien pueden estar fuera de la tercera zona de cobertura de radio 16, es decir mas alla del lfmite de cobertura proporcionado por el segundo canal de radio. Esta condicion no representa una anomalfa ya que el sistema de navegacion puede usar estos dispositivos inalambricos 13 tanto para operaciones normales (las que tienen lugar en el alcance de cobertura del segundo canal de radio), asf como de sistema de seguridad para condiciones de emergencia en el caso en el que el rover 12 este ubicado fuera del alcance del segundo canal de radio (por ejemplo, debido a errores en el procesamiento de ordenes
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o debido a una disminucion en la potencia de transmision del modulo de descenso 11 y/o del rover 12).
Preferiblemente, los dispositivos inalambricos se despliegan sobre la superficie del planeta extraterrestre durante el descenso del modulo de descenso en el planeta extraterrestre. Con respecto a esto, la figura 2 muestra, esquematicamente y simplemente a modo de ejemplo, la entrada del modulo de descenso en la atmosfera del planeta extraterrestre, y el descenso y aterrizaje del modulo de descenso en el planeta extraterrestre.
En particular, la figura 2 muestra:
• una primera etapa (indicada con 21) en la que un modulo espacial que comprende el modulo de descenso entra en la atmosfera del planeta extraterrestre; en esta primera etapa 21 hay 5 minutos hasta tomar tierra y el modulo espacial esta a una altura de 125 km desde la superficie del planeta extraterrestre y tiene una velocidad de 6.900 m/s;
• una segunda etapa (indicada con 22) en la que el modulo espacial despliega un paracafdas; en esta segunda etapa 22 quedan 2 minutos hasta tomar tierra y el modulo espacial esta a una altura de 8.800 m desde la superficie del planeta extraterrestre y tiene una velocidad de 490 m/s;
• una tercera etapa (indicada con 23) en la que el modulo espacial libera un escudo termico; en esta tercera etapa 23 quedan 110 segundos hasta tomar tierra y el modulo espacial esta a una altura de 7.500 m desde la superficie del planeta extraterrestre y tiene una velocidad de 250 m/s;
• una cuarta etapa (indicada con 24) en la que el modulo de descenso se libera del modulo espacial; en esta cuarta etapa 24 quedan 35 segundos hasta tomar tierra y el modulo de descenso esta a una altura de 1.300 m desde la superficie del planeta extraterrestre y tiene una velocidad de 80 m/s; y
• una quinta etapa (indicada con 25) en la que el modulo de descenso aterriza sobre la superficie del planeta extraterrestre con una velocidad de 2,5 m/s.
Tal como se describio anteriormente, los dispositivos inalambricos se liberan preferiblemente durante el descenso del modulo de descenso en el planeta extraterrestre a diferentes alturas de tal manera que se cubre una zona en tierra de la dimension necesaria para la mision de exploracion del rover. La zona en tierra cubierta por los dispositivos inalambricos es la zona de funcionamiento, o zona de servicio, en la que el sistema de navegacion proporciona sus capacidades para determinar la posicion del rover. Ademas, la red de los dispositivos inalambricos puede expandirse ventajosamente mediante dispositivos inalambricos adicionales liberados por el rover durante su movimiento sobre la superficie del planeta extraterrestre con el fin de extender y mejorar la cobertura, prestaciones e integridad del servicio de localizacion y navegacion. Por tanto, en resumen, el despliegue de los dispositivos inalambricos, que determina la zona de servicio y las prestaciones del sistema de navegacion, puede implementarse:
• durante las etapas de entrada, descenso y aterrizaje (EDL) del modulo de descenso; y/o
• por el rover durante su mision de exploracion del planeta extraterrestre.
Con respecto a esto, la figura 3 muestra, esquematicamente y simplemente a modo de ejemplo, la liberacion de dispositivos inalambricos durante el descenso del modulo de descenso sobre el planeta extraterrestre, en particular en una etapa de descenso comprendida entre la segunda etapa 22 y la cuarta etapa 24 mostradas en la figura 2.
En detalle, la figura 3 muestra:
• el modulo espacial (indicado con 31) que comprende el modulo de descenso y que esta descendiendo sobre la superficie del planeta extraterrestre; y
• una pluralidad de dispositivos inalambricos (indicados con 32) liberados por el modulo espacial 31 durante el descenso.
Tal como se describio anteriormente, el despliegue de los dispositivos inalambricos durante las etapas de EDL determina la zona de servicio del sistema de navegacion. Por tanto, al llevar a cabo este despliegue es importante tener en cuenta la distribucion geometrica de los dispositivos inalambricos y su distancia mutua sobre la superficie del planeta extraterrestre.
En particular, la distancia prevista de los dispositivos inalambricos desde la vertical de la posicion del modulo de descenso durante las etapas de EDL puede determinarse ventajosamente de manera preliminar durante la etapa de planificacion de la mision con el fin de definir la zona de servicio del sistema de navegacion y la densidad de los dispositivos inalambricos.
Por ejemplo, con el fin de obtener, usando 70 dispositivos inalambricos, una zona de servicio de aproximadamente 1,5 km de diametro con una distancia promedio entre dispositivos inalambricos de aproximadamente 200 m, dichos dispositivos inalambricos pueden liberarse ventajosamente durante las etapas de EDL del modulo de descenso de la
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siguiente manera:
• 30 dispositivos inalambricos liberados a una altura de 6.000 m desde la superficie del planeta extraterrestre;
• 20 dispositivos inalambricos liberados a una altura de 3.000 m desde la superficie del planeta extraterrestre;
• 15 dispositivos inalambricos liberados a una altura de 2.000 m desde la superficie del planeta extraterrestre; y
• 5 dispositivos inalambricos liberados a una altura de 1.000 m desde la superficie del planeta extraterrestre.
Naturalmente, los numeros proporcionados anteriormente representan una estimacion basta ya que no tienen en cuenta perturbaciones atmosfericas, tales como vientos y friccion, y la conformacion del terreno (por ejemplo pendientes, rocas, crateres, etc.) que pueden desviar/perturbar el aterrizaje de los dispositivos inalambricos (por ejemplo provocando rebotes, deslizamientos, etc.). Todas estas perturbaciones pueden tenerse ventajosamente en cuenta en la etapa de analisis y definicion de la mision para dimensionar el sistema de navegacion.
Ademas, tal como se describio anteriormente, cuando el rover esta funcionando y esta a punto de alcanzar el borde de la zona de servicio, puede liberar ventajosamente dispositivos inalambricos adicionales con el fin de extender la zona de servicio del sistema de navegacion.
Tras haberse desplegado los dispositivos inalambricos sobre la superficie del planeta extraterrestre durante las etapas de EDL del modulo de descenso y despues de que el modulo de descenso haya aterrizado y haya terminado todas las operaciones preliminares (por ejemplo despues de que haya desplegado los paneles solar usados para producir energfa), el modulo de descenso comienza, de manera autonoma o en respuesta a una o mas ordenes recibidas de manera remota (por ejemplo desde una estacion de control en la Tierra o desde una estacion espacial que orbita alrededor del planeta extraterrestre), una etapa de inicializacion con el objetivo de definir la red de localizacion y comunicacion jerarquica formada por el modulo de descenso y por los dispositivos inalambricos.
Al comienzo de esta etapa de inicializacion todos los dispositivos inalambricos, anteriormente colocados sobre el terreno en la zona de funcionamiento, estan en modo en espera, es decir esperando de manera pasiva un mensaje de activacion transmitido por el modulo de descenso.
La generacion y transmision de mensajes de control en la red de localizacion y comunicacion jerarquica se basa en un sistema jerarquico estructurado en varios niveles identificados por un numero natural comprendido entre 0 y NIVEL_MAX en el que cuanto menor es el numero, mayor es la autoridad de los mensajes transmitidos. En esta jerarqma, el modulo de descenso representa el nodo de nivel 0, mientras que todos los dispositivos inalambricos, antes de la inicializacion, estan ventajosamente preconfigurados a un nivel igual a NIVEL_MAX.
En la primera fase de la etapa de inicializacion el modulo de descenso, es decir el nodo de nivel 0 de la red de localizacion y comunicacion jerarquica, lleva a cabo una busqueda de los dispositivos inalambricos adyacentes al mismo en el primer canal de radio, es decir en el canal de radio basado en tecnologfa de UWB. Segun la presente invencion y, por tanto, en la siguiente descripcion, la adyacencia se define en cuanto a “visibilidad por radio”. En particular, segun la presente invencion y en la siguiente descripcion, se dice que dos nodos de la red de localizacion y comunicacion jerarquica son adyacentes si y solo si puede establecerse entre ellos una comunicacion inalambrica basada en el uso de tecnologfa de UWB de corto alcance, es decir basada en el uso del primer canal de radio.
La busqueda de los dispositivos de radio adyacentes al modulo de descenso consiste en que el modulo de descenso envfe en difusion un mensaje de activacion (es decir dirigido a todos). Los dispositivos inalambricos que pueden recibir el mensaje de activacion responden al modulo de descenso y comienzan a llevar a cabo mediciones de distancia (es decir alcance) desde el modulo de descenso. Estos dispositivos inalambricos ayudan a determinar el nivel 1 de la red de localizacion y comunicacion jerarquica. En particular, las mediciones de alcance continuan durante un tiempo preestablecido, al final del cual se determinan los dispositivos inalambricos cuyas distancias cumplen con parametros predeterminados de estabilidad estadfstica de las mediciones de alcance; estos dispositivos inalambricos pasan a ser los nodos de nivel 1 de la red de localizacion y comunicacion jerarquica.
Con respecto a esto, la figura 4 muestra esquematicamente un ejemplo de protocolo de comunicacion que puede usarse segun una realizacion preferida de la presente invencion para activar y configurar como nodo de nivel 1 un dispositivo inalambrico adyacente al modulo de descenso.
En particular, la figura 4 muestra un diagrama temporal de los mensajes intercambiados en el primer canal de radio entre el modulo de descenso (indicado con 41) y un dispositivo inalambrico (indicado con 42) adyacente al mismo.
En detalle, la figura 4 muestra esquematicamente:
• la transmision por difusion en el primer canal de radio mediante el modulo de descenso 41 de un mensaje de activacion que provoca la activacion de los dispositivos inalambricos por los que se recibe y que se recibe por el dispositivo inalambrico 42 que, por tanto, se activa (este mensaje de activacion comprende ventajosamente algunos parametros, tales como una referencia temporal (“sello de tiempo”) para la sincronizacion entre el modulo de descenso 41 y el dispositivo inalambrico 42, la direccion MAC (control de acceso al medio) del modulo de descenso
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41, y el numero de identificacion del nivel del modulo de descenso 41, es decir el numero de identificacion del nivel 0);
• el envfo en el primer canal de radio desde el dispositivo inalambrico 42 hasta el modulo de descenso 41 de un mensaje de respuesta (este mensaje de respuesta comprende ventajosamente la direccion MAC del dispositivo inalambrico 42 y la peticion de mediciones de alcance);
• una sesion de determinacion del alcance en la que el modulo de descenso 41 y el dispositivo inalambrico 42 transmiten mutuamente senales de radiofrecuencia en el primer canal de radio, llevan a cabo la determinacion del alcance, es decir mediciones de distancia, basandose en la potencia de las senales recibidas respectivamente, intercambian en el primer canal de radio informacion referente a estas mediciones de distancia y almacenan los resultados de las diversas mediciones realizadas; tras transcurrir un tiempo preestablecido desde el comienzo de la sesion de determinacion del alcance, el modulo de descenso 41 determina los nodos de nivel 1 basandose en las mediciones de distancia realizadas;
• el envfo en el primer canal de radio desde el modulo de descenso 41 hasta el dispositivo inalambrico 42 de un mensaje de fin de sesion de determinacion del alcance que comprende el numero de identificacion del nivel asignado al dispositivo inalambrico 42, es decir el numero de identificacion de nivel 1; y
• el envfo en el primer canal de radio desde el dispositivo inalambrico 42 hasta el modulo de descenso 41 de un mensaje de confirmacion (este mensaje de confirmacion comprende ventajosamente informacion sobre el estado del dispositivo inalambrico, tal como el nivel de carga de la batena del dispositivo inalambrico 42).
Al final de la etapa de inicializacion de los nodos de nivel 1, los dispositivos inalambricos identificados como nodos de nivel 1 llevan a cabo mediciones de alcance con todos los demas dispositivos inalambricos activos (que en esta etapa solo comprenden el modulo de descenso y los dispositivos inalambricos de nivel 1). Se envfan las mediciones llevadas a cabo de este modo al modulo de descenso que las usa para determinar la geometna, es decir la topologfa, del sistema de referencia local. En particular, con el fin de determine un sistema de referencia bidimensional, se necesitan al menos dos dispositivos inalambricos de nivel 1 activos, mientras que para determinar un sistema de referencia tridimensional local se requiere un numero mmimo de mediciones mas grande.
A partir de ahora, por motivos de simplicidad de la descripcion, se describira un procedimiento de ejemplo que puede usarse para determinar un sistema de referencia cartesiano bidimensional local, entendiendose que este procedimiento tambien puede aplicarse, cambiando lo que sea necesario, para determinar un sistema de referencia cartesiano tridimensional local.
La primera etapa en la determinacion de un sistema de referencia cartesiano bidimensional local es la seleccion de un nodo (es decir de un dispositivo inalambrico) que permite fijar el eje de las abscisas, es decir el eje de las x, del sistema de referencia cartesiano bidimensional. Este eje de las x se identifica mediante el segmento hipotetico que une el modulo de descenso y el dispositivo inalambrico seleccionado. De esta manera, la posicion, en el sistema de referencia cartesiano bidimensional, del nodo seleccionado para fijar el eje de las x se determina de manera automatica. De hecho, este nodo tiene las coordenadas (d(L,k),0), en las que d(L,k) representa la distancia desde el modulo de descenso L del dispositivo inalambrico k seleccionado para fijar el eje de las x. De esta manera el eje de ordenadas, es decir el eje de las y, del sistema de referencia cartesiano bidimensional tambien se determina de manera automatica.
El criterio de seleccion del dispositivo inalambrico usado para fijar el eje de las x del sistema de referencia cartesiano bidimensional local se basa en el uso de informacion estadfstica recopilada durante la etapa de inicializacion del nivel 1 de la red de localizacion y comunicacion jerarquica. En particular, se selecciona el nodo (es decir el dispositivo inalambrico) que tiene, desde un punto de vista estadfstico, la medicion mas estable y robusta. Por ejemplo, para seleccionar el nodo pueden considerarse los siguientes parametros: la diferencia entre la distancia minima y maxima medida, y datos estadfsticos del primer y del segundo orden (media y varianza) sobre las mediciones de alcance realizadas entre el elemento (es decir el dispositivo inalambrico) considerado, el modulo de descenso y todos los demas dispositivos inalambricos adyacentes. Otro parametro que puede considerarse es el numero de dispositivos inalambricos adyacentes al nodo considerado. El objeto de esta evaluacion es seleccionar un nodo que garantice la mayor estabilidad en las mediciones (minimizacion de la propagacion de errores de medicion) y que este en comunicacion con el mayor numero posible de otros nodos. Esta informacion proporciona de manera implfcita indicaciones sobre la estabilidad en el terreno del nodo y la calidad de la senal (trayecto multiple, lmea de vision (LOS), etc.).
Una vez seleccionado el nodo para fijar el eje de las x del sistema de referencia cartesiano bidimensional local y, por tanto, una vez fijado tambien de manera automatica el eje de las y del sistema de referencia cartesiano bidimensional local, el modulo de descenso usa las mediciones realizadas en la etapa de inicializacion del nivel 1 para calcular las coordenadas de los nodos restantes.
En particular, las coordenadas se calculan anadiendo gradualmente, uno a uno, los nodos de nivel 1 a los que aun no se les han asignado coordenadas en el sistema de referencia cartesiano bidimensional local. En detalle, el modulo de descenso calcula las coordenadas de los nodos de nivel 1 basandose en las coordenadas de los nodos
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de nivel 1 con coordenadas que ya se han determinado y en las mediciones de alcance realizadas en la etapa de inicializacion del nivel 1. En este contexto el modulo de descenso es el nodo con coordenadas (0,0), es decir, representa el origen del sistema de referencia cartesiano bidimensional local.
Con respecto a esto, la figura 5 muestra esquematicamente el calculo de las coordenadas de un nodo de nivel 1 generico (es decir dispositivo inalambrico) j basandose en las coordenadas del modulo de descenso L y del nodo k seleccionado para fijar el eje de las x del sistema de referencia local, en la distancia del nodo k desde el modulo de descenso L calculada en la etapa de inicializacion del nivel 1, en la distancia del nodo j desde el modulo de descenso L calculada en la etapa de inicializacion del nivel 1 y en la distancia del nodo k desde el nodo j calculada en la etapa de inicializacion del nivel 1.
En particular, la figura 5 muestra:
• el modulo de descenso L que esta situado en el punto con coordenadas (0,0), es decir en el origen, del sistema de referencia cartesiano bidimensional local xy;
• el nodo k que se ha seleccionado para fijar el eje de las x del sistema de referencia cartesiano bidimensional local xy, que esta a una distancia d(L,k) desde el modulo de descenso L y que, por tanto, esta situado en el punto con coordenadas (d(L,k),0); y
• el nodo generico j que esta a una distancia d(L,j) desde el modulo de descenso L y a una distancia d(j,k) desde el nodo k.
Las coordenadas (jx,jy) del nodo j pueden expresarse de manera matematica segun las dos formulas trigonometricas siguientes:
jx=d(L,j)-cos/? , jy = d (L,j)-sin/3 ,
donde p indica el angulo comprendido entre el eje de las x y el segmento que une el modulo de descenso L y el nodoj y que se encuentra a lo largo de d(L,j).
Ademas, segun la ley de cosenos (o teorema de Carnot):
f
j3 = arccos
V
d{L,j)2 +d(L,k)2 -d(j,k)2' 2 -d(L,k)
Por tanto, dado que la distancias d(L,k), d(L,j) y d(j,k) se calcularon en la etapa de inicializacion del nivel 1 y, por tanto, se conocen, es posible determinar p y, por tanto, las coordenadas (jx,jy) del nodo j.
Por tanto, el procedimiento de calculo de las coordenadas descrito anteriormente se repite por el modulo de descenso para cada dispositivo inalambrico de nivel 1 al que aun no se le han asignado las coordenadas en el sistema de referencia cartesiano bidimensional local.
El procedimiento para definir el sistema de referencia local descrito anteriormente para el caso bidimensional tambien puede usarse, tal como se menciono anteriormente, para definir un sistema de referencia tridimensional local. En particular, se necesitan al menos tres dispositivos inalambricos de nivel 1 activos con el fin de determinar un sistema de referencia tridimensional local. Ademas, la precision y fiabilidad de calculo de la tercera dimension, es decir de las coordenadas verticales, pueden mejorarse usando una tecnica de fusion de datos basada en datos suministrados por sensores acoplados a los dispositivos inalambricos (y si es necesario tambien al modulo de descenso), tales como (en el caso en el que el planeta extraterrestre tenga una atmosfera y se conozca el comportamiento atmosferico de dicho planeta extraterrestre) altfmetros barometricos, y/o mediante modelos digitales del terreno del planeta extraterrestre obtenidos mediante adquisiciones por radar, sistemas de determinacion del alcance por satelite, etc. En cualquier caso, es importante entender que no es necesario conocer la tercera coordenada para el funcionamiento del sistema de navegacion segun la presente invencion, que, por tanto, tambien puede funcionar ventajosamente con tan solo dos dimensiones.
Una vez que los dispositivos inalambricos de nivel 1 se han activado y el modulo de descenso ha definido el sistema de referencia local y calculado las coordenadas de todos los dispositivos inalambricos de nivel 1, se repite el mismo procedimiento para los niveles posteriores, es decir para los nodos a los que no pudo alcanzar el modulo de descenso durante la primera etapa.
En particular, los nodos de nivel 1 comienzan el mismo procedimiento comenzado por el modulo de descenso, es decir, transmiten en difusion un mensaje de activacion. La diferencia primaria es que la informacion recopilada se envfa por los nodos de nivel 1 al modulo de descenso, en el que se procesa.
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En detalle, cada nodo de nivel 1 lleva a cabo mediciones de alcance con todos los nodos adyacentes al mismo aun no activados (es decir cuyo numero de identificacion de nivel aun no se ha asignado o esta establecido al valor maximo NIVEL_MAX). Entonces se transfieren las mediciones realizadas desde los nodos de nivel 1 hasta el modulo de descenso que las usa para determinar los nodos que van a activarse, a los que, por tanto, se les asigna el numero de identificacion de nivel 2.
Posteriormente, de la misma manera que para el nivel 1, se lleva a cabo una sesion de medicion del alcance mediante los nodos recien activados, a los que responden todos los nodos actualmente activados, es decir, en esta etapa, los nodos de nivel 2 y de nivel 1. Estas mediciones se envfan por cada dispositivo inalambrico de nivel 2, usando un mecanismo de enrutamiento que implica al menos a un nodo de nivel 1 respectivo, al modulo de descenso que las usa para determinar las coordenadas de los dispositivos inalambricos recien activados.
Se lleva a cabo el mismo procedimiento para los niveles superiores hasta que no se anade ningun nodo nuevo a la red de localizacion y comunicacion jerarquica. En este punto, la red de localizacion y comunicacion jerarquica se ha inicializado.
Tal como se describio anteriormente, en la red de localizacion y comunicacion jerarquica cada dispositivo de comunicacion (es decir cada nodo) al que se le ha asignado un nivel respectivo l (con 1 < l < NIVEL_MAX), puede comunicarse directamente en el primer canal de radio (es decir en el canal de radio basado en tecnologfa de UWB) unicamente con los dispositivos inalambricos (es decir los nodos) que pertenecen al nivel respectivo l, con los nodos que pertenecen al nivel l-1 y con los nodos que pertenecen al nivel l+1. Por tanto, mientras que los nodos de nivel 1 estan en comunicacion directa con el modulo de descenso, los nodos de nivel 2 y los de los niveles posteriores no pueden comunicarse directamente con el modulo de descenso y, con el fin de alcanzarlo, deben usar por tanto un protocolo de enrutamiento que se depende de otros nodos de red.
Una solucion preferida al problema de identificacion del trayecto de enrutamiento desde un nodo cualquiera hacia el modulo de descenso implica el uso del mismo enfoque gradual usado para la activacion e inicializacion de los nodos de la red de localizacion y comunicacion jerarquica. El procedimiento se basa en la identificacion de al menos un nodo de referencia de nivel l-1 (en el que l indica el nivel del nodo para el que debe garantizarse la comunicacion con el modulo de descenso) que funciona como pasarela para comunicaciones con el modulo de descenso.
Para los nodos de nivel 1, el nodo de referencia que actua como pasarela para comunicaciones con el modulo de descenso es el propio modulo de descenso. Ademas, los nodos de nivel 1 pueden actuar como pasarela para el modulo de descenso para los nodos de nivel 2. De la misma manera, los nodos de nivel 2 pueden funcionar como pasarela para el modulo de descenso para los nodos de nivel 3, y asf sucesivamente.
Con respecto a esto, se considera la situacion en la que el procedimiento de inicializacion de los nodos de la red de localizacion y comunicacion jerarquica ha alcanzado el nivel l-1. Por tanto, cada nodo de nivel l-1 esta en comunicacion directa o indirecta con el modulo de descenso. Cada nodo de nivel l-1 repite entonces el procedimiento de activacion y envfa un mensaje de activacion en difusion. Los nodos en modo en espera, es decir que aun no se han inicializado, que descodifican correctamente el mensaje de activacion guardan la direccion del remitente en un vector como posible pasarela que va a seleccionarse para el enrutamiento de la comunicacion hacia el modulo de descenso. De hecho, los remitentes, que pertenecen al nivel l-1, ya han completado el procedimiento de inicializacion, y, por tanto, deben estar en comunicacion directa o indirecta con el modulo de descenso, es decir, aunque no esten en comunicacion directa con el modulo de descenso, conocen una manera de encaminar informacion hacia el modulo de descenso.
Grabar todas las direcciones MAC de nivel l-1 permite que los nodos seleccionen trayectos de enrutamiento alternativos tanto para abordar problemas de comunicacion con la pasarela seleccionada como para distribuir, en rotacion y de manera uniforme, el coste, en cuanto al consumo de energfa, en los nodos adyacentes.
Otros metodos de enrutamiento pueden implementarse ventajosamente en la red de localizacion y comunicacion jerarquica tanto de manera alternativa al metodo descrito anteriormente asf como metodos de respaldo. En particular, el metodo de enrutamiento mas adecuado puede seleccionarse ventajosamente en funcion de parametros espedficos de la mision en la que se usa el sistema de navegacion (por ejemplo en funcion de la densidad de los nodos, del ciclo de trabajo, de la frecuencia con la que el sistema debe actualizar el sistema de referencia local, etc.). Por ejemplo, pueden considerarse variantes de algoritmos de enrutamiento conocidos para redes de dispositivos de comunicacion inalambrica.
De la misma manera, es decir usando el enfoque gradual tanto de despliegue de los nodos (es decir de los dispositivos inalambricos) en el terreno como de activacion de los mismos, el sistema puede resolver ventajosamente problemas de acceso al canal de radio tfpicos de una red de multiples saltos de UWB asignando codigos de transmision, o, mas generalmente, los parametros de acceso al canal ffsico, segun la etapa de lanzamiento del dispositivo inalambrico y/o su inicializacion.
Al final del procedimiento de inicializacion de la red de localizacion y comunicacion jerarquica (el tiempo requerido para terminar este procedimiento puede depender de muchos factores, entre ellos el numero de dispositivos inalambricos, el radio de comunicacion de las interfaces de radio de corto alcance basadas en tecnologfa de UWB y
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la dimension de la zona por la que se extienden los dispositivos inalambricos) el estado del sistema de navegacion puede resumirse de la siguiente manera:
• los dispositivos inalambricos disponibles estan activos y se han asignado coordenadas del sistema de referencia local a cada uno de ellos;
• el sistema de navegacion esta estructurado, es decir cada nodo tiene asignado un determinado nivel y conoce el metodo para enviar informacion al modulo de descenso; ademas la estructuracion en niveles permite que cada nodo y el sistema de navegacion, en su conjunto, conozca los lfmites de la zona de uso (barreras logicas); y,
• como consecuencia del metodo para la determinacion de las distancias mutuas, los dispositivos inalambricos estan sincronizados entre sf (exactitud minima del orden de milisegundos).
Tras la inicializacion de la red de localizacion y comunicacion jerarquica, se llevan a cabo las siguientes etapas con el fin de hacer que el sistema de navegacion este en funcionamiento:
• se inicializa el primer canal de radio (es decir el canal de radiocomunicacion basado en tecnologfa de UWB) y se verifica por medio de intercambio de datos y llevando a cabo algunas sesiones de medicion del alcance con el modulo de descenso; y
• se transmite la topologfa de la red de localizacion y comunicacion jerarquica (es decir las coordenadas de cada dispositivo inalambrico en el sistema de referencia local), usando ambos canales de radio, desde el modulo de descenso hasta el rover que la almacena.
No es necesario que el rover determine una tabla de pasarelas propia si requiere usar la red de localizacion y comunicacion jerarquica para comunicarse con el modulo de descenso, ya que su punto de acceso a esta red puede ser uno cualquiera de los dispositivos inalambricos adyacentes al rover en la posicion en la que esta ubicado en ese momento. De hecho, cada dispositivo inalambrico, activo y en funcionamiento, constituye un punto de acceso valido a la red de localizacion y comunicacion jerarquica. Por tanto, el rover puede comunicarse con el modulo de descenso a traves de la red de localizacion y comunicacion jerarquica usando un dispositivo inalambrico adyacente como punto de acceso a esta red.
En la etapa de funcionamiento del sistema de navegacion, el rover se mueve dentro de la zona de funcionamiento y lleva a cabo periodicamente mediciones de alcance con los dispositivos inalambricos adyacentes al mismo. Usando estas mediciones junto con la informacion sobre la topologfa de la red de localizacion y comunicacion jerarquica transmitida por el modulo de descenso, el rover calcula su posicion dentro de la zona de funcionamiento con respecto al sistema de referencia local.
Es importante observar que el sistema de impulso del rover debe tener en cuenta la informacion de proximidad de los dispositivos inalambricos para evitar colisionar con los mismos. En particular, un desplazamiento significativo de la posicion de los dispositivos inalambricos puede requerir el calculo de un nuevo sistema de referencia local. Por tanto, el rover esta ventajosamente configurado para evitar colisionar con los dispositivos inalambricos (por ejemplo deteniendose y/o recalculando la trayectoria a lo largo de la cual esta moviendose) basandose en su posicion, en informacion sobre la topologfa de la red de localizacion y comunicacion jerarquica transmitida por el modulo de descenso y en las mediciones de alcance llevadas a cabo por dicho rover. En otras palabras, los dispositivos inalambricos se usan de manera intrmseca como balizas de radio, es decir, para proporcionar al rover informacion de proximidad, con el fin de facilitar el regreso del rover a la zona de funcionamiento del sistema de navegacion si dicho rover sale de la misma y con el fin de prevenir que la colision entre el rover y los dispositivos inalambricos haga necesaria una actualizacion frecuente del sistema de coordenadas de referencia.
Durante la etapa de funcionamiento el modulo de descenso periodicamente activa un procedimiento de verificacion del estado de integridad del sistema de navegacion, en particular de la red de localizacion y comunicacion jerarquica, de tal manera que:
• se comprueba el estado de los dispositivos inalambricos (nivel de carga de batena, velocidad de gasto de la batena, variaciones significativas en la calidad de las senales recibidas, y otros parametros relevantes); y
• se detecta cualquier variacion de la topologfa de la red de localizacion y comunicacion jerarquica, por ejemplo debido a
- variaciones en la posicion de los dispositivos inalambricos (detectadas observando cambios significativos en las mediciones de alcance realizadas por nodos adyacentes), por ejemplo debido a viento, hundimiento del terreno, impacto accidental con el rover u otros fenomenos del entorno, y/o
- deterioro de la exactitud de la posicion de los dispositivos inalambricos (evaluado en terminos estadfsticos mediante recalculo periodico de la posicion de los dispositivos inalambricos).
La informacion referente al estado de integridad del sistema de navegacion, es decir de la red de localizacion y comunicacion jerarquica, se transmite desde el modulo de descenso hasta el rover que puede modificar su
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comportamiento en funcion de dicho estado de integridad (por ejemplo puede reducir la velocidad, puede esperar a condiciones mas estables para realizar actividades que requieren una alta fiabilidad de la informacion de posicion, etc.) hasta el caso lfmite en el que el modulo de descenso comunica al rover la necesidad de reinicializar la red de localizacion y comunicacion jerarquica. Por tanto, el rover esta ventajosamente configurado para modificar su comportamiento de funcionamiento (por ejemplo deteniendose) si el estado de integridad del sistema de navegacion no satisface condiciones predeterminadas. El sistema de navegacion puede proporcionar un posicionamiento con exactitud por debajo de un metro y tambien esta configurado para implementar funcionalidades de monitorizacion y control. En particular, la imposibilidad de prever y contrarrestar cualquier variacion del entorno (tormentas de arena, actividad tectonica, inestabilidad del terreno) y cualquier fallo en los dispositivos inalambricos (anomalfas de fuente de alimentacion debidas a condiciones meteorologicas contingentes, errores de circuito, etc.) se compensan mediante modulos para automonitorizar y determinar el estado de integridad del sistema de navegacion, es decir de la red de localizacion y comunicacion jerarquica. La informacion de integridad se pone a disposicion de los rovers para usarse en combinacion con sus “planes de funcionamiento” (por ejemplo, algunas etapas de funcionamiento pueden requerir exactitud o fiabilidad espedficas). Ademas, en el caso de avenas graves, el sistema de control de mision central puede incluso decidir detener los rovers hasta que se restauren las condiciones de funcionamiento nominales del sistema de navegacion.
El sistema de navegacion proporciona esta monitorizacion del estado de integridad mediante su funcionalidad primaria, es decir, mediante el calculo automatico de la topologfa de la red de localizacion y comunicacion jerarquica y mediante la determinacion del sistema de referencia local.
El sistema de referencia local representa el requisito de alto nivel mas importante para cada sistema de navegacion. Por este motivo, la primera etapa de funcionamiento establecida para el sistema de navegacion segun la realizacion preferida de la presente invencion es la determinacion del sistema de referencia local y de la posicion de cada dispositivo inalambrico en este sistema de referencia local. Tal como se describio anteriormente, el sistema de referencia local depende de la posicion de cada dispositivo inalambrico y, por tanto, no puede suponerse que sea estatico. El mayor punto fuerte del sistema de integridad del sistema de navegacion es el uso de su funcionalidad primaria no solo para la inicializacion preliminar, sino tambien como servicio continuo para el suministro de informacion diferencial referente a la exactitud y validez del sistema de referencia local. Esta informacion se difunde a los dispositivos inalambricos y a los rovers con el fin de permitirles realizar e implementar acciones espedficas dependiendo de su estado espedfico.
Esta caractenstica hace que el sistema de navegacion segun la realizacion preferida de la presente invencion sea un sistema con gran flexibilidad y capacidad de configuracion. Ademas, el mecanismo autonomo para determinar la topologfa de la red de localizacion y comunicacion jerarquica es de bajo coste y representa una manera sencilla y directa de devolver el sistema completo hacia un estado estacionario, permitiendo por tanto una recuperacion de fallos principales volviendo a utilizar principalmente las funciones operativas.
Las prestaciones actuales del sistema de navegacion segun la realizacion preferida de la presente invencion pueden depender de diversos factores, incluyendo:
• el numero de dispositivos inalambricos;
• las dimensiones de la zona de funcionamiento;
• la distancia entre dispositivos inalambricos (de hecho, la exactitud de mediciones de alcance disminuye con la distancia);
• la potencia de transmision disponible de los dispositivos inalambricos y la velocidad del primer canal de radio, es decir del canal de radiocomunicacion basado en tecnologfa de UWB; y
• la duracion de la mision del sistema de navegacion.
Estos factores no son independientes unos de otros y deben considerarse sus interacciones durante la definicion de los requisitos de la mision. Por ejemplo, el numero de dispositivos inalambricos depende de la dimension de la zona de funcionamiento y del radio de comunicacion de UWB entre dos dispositivos inalambricos y, naturalmente, tambien de la capacidad de carga del modulo de descenso. A su vez, la distancia de comunicacion de UWB entre dos dispositivos inalambricos depende de la potencia de transmision que puede usarse y de la duracion establecida para la mision.
La capacidad del sistema de navegacion para transferir simultaneamente informacion y determinar la posicion permite una alta flexibilidad en la definicion de casos especializados del sistema para cubrir una amplia gama de posibles situaciones de aplicacion. En cualquier caso, las funcionalidades y las prestaciones basicas del sistema de navegacion se garantizan independientemente de la especializacion espedfica y adaptacion a una mision espedfica.
A continuacion se indican las funcionalidades y caractensticas primarias y algunas prestaciones indicativas del sistema de navegacion, tanto a nivel de sistema como a nivel de dispositivo inalambrico individual.
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En particular, las funcionalidades y caractensticas primarias a nivel de sistema son:
• una unica red (es decir, la red de localizacion y comunicacion jerarquica) tanto para la navegacion como para la transferencia de datos (por ejemplo para operaciones de monitorizacion y comprobacion de la integridad);
• determinacion autonoma de la topologfa de la red de localizacion y comunicacion jerarquica (sistema de coordenadas de referencia);
• monitorizacion dinamica de la topologfa de la red de localizacion y comunicacion jerarquica;
• robustez en el caso de modificaciones de la topologfa de la red de localizacion y comunicacion jerarquica durante operaciones (por ejemplo en el caso de un fallo en uno o mas dispositivos inalambricos, de desplazamiento accidental de los nodos, etc.);
• sincronizacion implfcita de la red de localizacion y comunicacion jerarquica y la posibilidad de sincronizacion explfcita para aplicaciones espedficas (por ejemplo, mediante el uso de algoritmos optimizados y mediante el uso de la estimacion de errores de sincronizacion para la evaluacion de la integridad); y
• determinacion del estado de integridad del sistema (el tiempo para el calculo de la integridad depende de parametros tales como la dimension de la zona de funcionamiento, la densidad de dispositivos inalambricos, la velocidad del primer canal de radio, es decir del canal de radiocomunicacion basado en tecnologfa de UWB).
Ademas, el sistema de navegacion puede estar ventajosamente configurado para realizar un calculo ponderado de los niveles de integridad en funcion de las prioridades de la mision.
En vez de eso, con respecto a las prestaciones a nivel de sistema, la exactitud del posicionamiento en el plano es una funcion de la exactitud en la determinacion las coordenadas de los dispositivos inalambricos, de la exactitud de las mediciones de alcance realizadas por los rovers, de la distancia del rover desde el modulo de descenso (los errores de medicion se propagan a medida que aumenta el nivel de los dispositivos inalambricos) y de la distribucion geometrica de los dispositivos inalambricos adyacentes al rover (dilucion de la precision, DOP). En una situacion de ejemplo con 5 niveles de distancia desde el modulo de descenso, una exactitud en las mediciones de alcance de 10 cm y una DOP geometrica (dilucion de precision geometrica, GDOP), es decir la dilucion de la precision debida a la configuracion geometrica de los nodos, constante inferior a 4,5, es posible obtener exactitudes de posicionamiento inferiores a un metro (1-sigma). La exactitud de posicionamiento en altura depende de las caractensticas del contexto de funcionamiento y de la disponibilidad de informacion adicional.
Ademas, las funcionalidades y caractensticas primarias a nivel de dispositivo inalambrico individual son:
• la capacidad para monitorizar los parametros de funcionamiento de cada dispositivo inalambrico (carga de batena residual, numero de transmisiones por segundo, velocidad de consumo de las batenas, matriz adyacente de otros dispositivos inalambricos, etc.);
• modularidad; de hecho los dispositivos inalambricos pueden estar ventajosamente equipados con diversos tipos de sensores para crear nodos multifuncionales (por ejemplo para recopilar parametros del entorno); y
• las caractensticas de la senal de UWB que hacen que los dispositivos inalambricos sean particularmente adecuados para funcionar en entornos con condiciones de entorno desfavorables (por ejemplo debido a la presencia de obstaculos, de un trasfondo electromagnetico con interferencias, etc.).
Ademas, con respecto a prestaciones al nivel de dispositivo inalambrico individual, la exactitud de las mediciones de alcance depende del numero de mediciones realizadas, de la distancia de los dispositivos inalambricos, del ancho de banda del primer canal de radio, de las condiciones de trasfondo electromagnetico, es decir de la relacion senal- ruido (SNR) y de las condiciones de lmea de vision (LOS). En una situacion de ejemplo con dos dispositivos inalambricos situados a una distancia de 30 metros, un promedio entre 10 mediciones de alcance, el uso, en campo abierto y en condiciones de LOS, de un sistema de saltos temporales, de radio por impulsos, de banda ultra ancha, (TH-IR-UWB) con una SNR de 0 dB y una banda de 1,5 GHz, es posible obtener una exactitud de medicion del alcance inferior a 10 cm (1-sigma).
Por tanto, para resumir algunas de las ventajas del sistema de navegacion, con la red de localizacion y comunicacion jerarquica basada en tecnologfa de UWB es posible:
• obtener una indicacion de la propagacion de errores de posicionamiento;
• implementar estrategias de ahorro de energfa en el enrutamiento de informacion que va a transferirse al modulo de descenso y/o a los rovers; y
• comunicarse en entornos con perturbaciones electromagneticas considerables y, simultaneamente, llevar a cabo mediciones de alcance con mucha exactitud.
A partir de la descripcion anterior puede entenderse facilmente como puede usarse ventajosamente la presente invencion para realizar:
• un sistema de localizacion basado en la red de localizacion y comunicacion jerarquica descrita anteriormente;
• un sistema de navegacion para cualquier tipo de vetnculo, no tripulado o controlado de manera remota, que esta 5 configurado para moverse sobre superficies y/o por debajo del agua;
• un sistema de exploracion basado en el sistema de navegacion descrito anteriormente; y
• un sistema de monitorizacion basado en el sistema de navegacion descrito anteriormente en el que el modulo de descenso y/o uno o mas rovers y/o uno o mas dispositivos inalambricos estan ventajosamente equipados con uno o mas sensores configurados para adquirir, es decir para detectar, parametros de/a partir del entorno circundante, es
10 decir datos y/o informacion sobre el entorno circundante, por ejemplo la temperatura exterior, la presion atmosferica, etc.
Ademas, a partir de la descripcion anterior tambien puede entenderse como puede usarse ventajosamente la presente invencion para realizar la localizacion y/o navegacion en, y/o exploracion y/o monitorizacion de, cualquier entorno desconocido y/o diffcil (es decir inaccesible), tal como:
15 • un objeto (o cuerpo) celeste, por ejemplo, un planeta, un satelite natural o un asteroide;
• una zona afectada por un desastre, por ejemplo una zona afectada por un terremoto y/o un tsunami y/o una inundacion y/o implicada en una erupcion volcanica y/o un derrumbamiento;
• un entorno submarino; etc.
Finalmente, se entiende que pueden realizarse diversas modificaciones a la presente invencion, todas las cuales se 20 encuentran dentro del alcance de proteccion de la invencion, tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (5)
- 51015202530354045REIVINDICACIONESSistema de navegacion para explorar y/o monitorizar un entorno, que comprende:• un nodo primario que comprende una interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva;• una pluralidad de nodos secundarios (13) disenados para desplegarse en dicho entorno, incluyendo cada nodo secundario (13) una interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva;en el que el nodo primario y los nodos secundarios (13) estan configurados para formar una red de localizacion y comunicacion jerarquica en la que:• el nodo primario esta asociado con un nivel jerarquico primario y cada nodo secundario (13) esta asociado con un nivel jerarquico secundario respectivo menor que el nivel jerarquico primario;• cada nodo esta configurado para enviar y recibir mensajes a traves de la red de localizacion y comunicacion jerarquica usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva;• cada nodo secundario (13) esta configurado para- llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia con respecto a, y junto con, otros nodos secundarios (13) asociados con el mismo nivel jerarquico secundario con el que esta asociado dicho nodo secundario (13), y con respecto a, y junto con, otros nodos asociados con niveles jerarquicos adyacentes al nivel jerarquico secundario con el que esta asociado dicho nodo secundario (13), y- enviar al nodo primario mensajes relacionados con la distancia referentes a las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicho nodo secundario (13);• el nodo primario esta configurado para- llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia con respecto a, y junto con, nodos secundarios (13) asociados con un nivel jerarquico secundario inmediatamente inferior al nivel jerarquico primario,- calcular, basandose en las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicho nodo primario y los mensajes relacionados con la distancia recibidos desde los nodos secundarios (13), un sistema de coordenadas de referencia local indicativo de las posiciones de los nodos secundarios (13) con respecto al nodo primario;• un modulo de control de mision (11) acoplado al nodo primario y disenado para colocarse en dicho entorno y para controlar una mision de exploracion y/o monitorizacion en dicho entorno;• un vehfculo no tripulado (12) que puede hacerse funcionar para llevar a cabo la mision de exploracion y/o monitorizacion en dicho entorno;• en el queel vehfculo no tripulado (12) comprende una unidad de control de vehfculo que incluye una interfaz de radiocomunicacion predefinida respectiva y una interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva y que esta configurada para recibir datos desde el modulo de control de mision (11) usando la interfaz de radiocomunicacion predefinida respectiva;• en el quela unidad de control de vehfculo esta configurada ademas para- llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia con respecto a, y junto con, uno o mas nodos de la red de localizacion y comunicacion jerarquica,- calcular una posicion del vehnculo no tripulado (12) en el sistema de coordenadas de referencia local basandose en los datos de navegacion recibidos desde el modulo de control de mision (11) y en las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicha unidad de control de vehnculo, y- pilotar el vehnculo no tripulado (12) en dicho entorno basandose en los datos de mision y en los datos de navegacion recibidos desde el modulo de control de mision (11), las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicha unidad de control de vehnculo y la posicion del vehnculo no tripulado (12) en el sistema de coordenadas de referencia local;estando el sistema de navegacion caracterizado porque:5101520253035404550- cada nodo secundario (13) esta configurado para enviar al nodo primario mensajes relacionados con la integridad que indican un estado respectivo de integridad operativa de dicho nodo secundario (13);- el nodo primario esta configurado para determinar un estado de integridad global de la red de localizacion y comunicacion jerarquica basandose en los mensajes relacionados con la integridad recibidos desde los nodos secundarios (13), las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicho nodo primario y los mensajes relacionados con la distancia recibidos desde los nodos secundarios (13), siendo dicho estado de integridad global de la red de localizacion y comunicacion jerarquica indicativo de los estados de integridad operativa de los nodos secundarios (13) y de niveles de fiabilidad y exactitud de las posiciones de los nodos secundarios (13) en el sistema de coordenadas de referencia local; y- el modulo de control de mision (11) comprende una interfaz de radiocomunicacion predefinida respectiva y esta configurado para enviar datos de mision referentes a la mision de exploracion y/o monitorizacion y datos de navegacion referentes al sistema de coordenadas de referencia local y el estado de integridad global de la red de localizacion y comunicacion jerarquica a la unidad de control de vehfculo usando la interfaz de radiocomunicacion predefinida respectiva.Sistema de navegacion segun la reivindicacion 1, en el que cada nodo secundario (13) esta configurado para:• llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia inicial con respecto a, y junto con, otros nodos secundarios (13) asociados con el mismo nivel jerarquico secundario con el que esta asociado dicho nodo secundario (13), y con respecto a, y junto con, otros nodos asociados con niveles jerarquicos adyacentes al nivel jerarquico secundario con el que esta asociado dicho nodo secundario (13);• llevar a cabo periodicamente, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia actual con respecto a, y junto con, otros nodos secundarios (13) asociados con el mismo nivel jerarquico secundario con el que esta asociado dicho nodo secundario (13), y con respecto a, y junto con, otros nodos asociados con niveles jerarquicos adyacentes al nivel jerarquico secundario con el que esta asociado dicho nodo secundario (13); y• enviar al nodo primario mensajes relacionados con la distancia inicial referentes a las mediciones de distancia inicial llevadas a cabo por dicho nodo secundario (13) y mensajes relacionados con la distancia actual referentes a las mediciones de distancia actual llevadas a cabo periodicamente por dicho nodo secundario (13);y en el que el nodo primario esta configurado para:• llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia inicial con respecto a, y junto con, los nodos secundarios (13) asociados con el nivel jerarquico secundario inmediatamente inferior al nivel jerarquico primario;• llevar a cabo periodicamente, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia actual con respecto a, y junto con, los nodos secundarios (13) asociados con el nivel jerarquico secundario inmediatamente inferior al nivel jerarquico primario;• calcular el sistema de coordenadas de referencia local basandose en las mediciones de distancia inicial llevadas a cabo por dicho nodo primario y en los mensajes relacionados con la distancia inicial recibidos desde los nodos secundarios (13); y• actualizar el sistema de coordenadas de referencia local basandose en las mediciones de distancia actual llevadas a cabo periodicamente por dicho nodo primario y en los mensajes relacionados con la distancia actual recibidos desde los nodos secundarios (13).Sistema de navegacion segun la reivindicacion 2, en el que cada nodo secundario (13) esta configurado para:• determinar un estado inicial respectivo de integridad operativa;• determinar periodicamente un estado actual respectivo de integridad operativa; y• enviar al nodo primario un mensaje relacionado con la integridad inicial que indica el estado inicial respectivo de integridad operativa y mensajes relacionados con la integridad actual que indican el estado actual respectivo de integridad operativa;y en el que el nodo primario esta configurado para:5101520253035404550• determinar el estado de integridad global de la red de localizacion y comunicacion jerarquica basandose en los mensajes relacionados con la integridad inicial recibidos desde los nodos secundarios (13), en las mediciones de distancia inicial llevadas a cabo por dicho nodo primario y en los mensajes relacionados con la distancia inicial recibidos desde los nodos secundarios (13); y• actualizar el estado de integridad global de la red de localizacion y comunicacion jerarquica basandose en los mensajes relacionados con la integridad actual recibidos desde los nodos secundarios (13), en las mediciones de distancia actual llevadas a cabo periodicamente por dicho nodo primario y en los mensajes relacionados con la distancia actual recibidos desde los nodos secundarios (13).Sistema de navegacion segun cualquier reivindicacion anterior, en el que el nodo primario esta configurado para:• llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia preliminar con respecto a, y junto con, primeros nodos secundarios espedficos (13) que son candidatos para estar asociados con un nivel jerarquico secundario inmediatamente inferior al nivel jerarquico primario; y• asociar uno o mas de dichos primeros nodos secundarios espedficos (13) con dicho nivel jerarquico secundario inmediatamente inferior al nivel jerarquico primario basandose en las mediciones de distancia preliminar llevadas a cabo por dicho nodo primario;en el que cada uno de los nodos secundarios dados (13) asociados con un primer nivel jerarquico secundario dado esta configurado para:• llevar a cabo, usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mediciones de distancia preliminar con respecto a, y junto con, segundos nodos secundarios espedficos (13) que son candidatos para estar asociados con un segundo nivel jerarquico secundario dado inmediatamente inferior al primer nivel jerarquico secundario dado; y• enviar al nodo primario mensajes relacionados con la distancia preliminar referentes a las mediciones de distancia preliminar llevadas a cabo por dicho nodo secundario dado (13);y en el que el nodo primario esta configurado para asociar uno o mas de dichos segundos nodos secundarios espedficos con dicho segundo nivel jerarquico secundario dado basandose en los mensajes relacionados con la distancia preliminar recibidos desde los nodos secundarios dados (13).Sistema de navegacion segun la reivindicacion 4, en el que el nodo primario esta configurado para transmitir, a traves de la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva, mensajes de notificacion cada uno de los cuales se dirige a uno o mas nodos secundarios espedficos (13) e indica un nivel jerarquico secundario con el que se ha(n) asociado dicho(s) nodo(s) secundario(s) espedfico(s) por dicho nodo primario;y en el que cada nodo secundario (13) esta configurado para:• si recibe a traves de la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva un mensaje de notificacion dirigido a dicho nodo secundario (13), adoptar como nivel jerarquico secundario respectivo el nivel jerarquico secundario indicado en dicho mensaje de notificacion recibido; y,• si recibe a traves de la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva un mensaje de notificacion que esta dirigido a uno o mas de otros nodos secundarios (13) y que indica un nivel jerarquico secundario inferior al nivel jerarquico secundario con el que esta asociado dicho nodo secundario (13), retransmitir a traves de la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva el mensaje de notificacion recibido encaminandolo hacia uno o mas nodos secundarios (13) asociados con un nivel jerarquico inferior al nivel jerarquico secundario con el que esta asociado dicho nodo secundario.Sistema de navegacion segun cualquier reivindicacion anterior, en el que cada nodo secundario (13) esta configurado para:• enviar a dicho nodo primario los mensajes relacionados con la integridad que indican el estado respectivo de integridad operativa y los mensajes relacionados con la distancia referentes a las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicho nodo secundario (13) transmitiendo dichos mensajes a traves de la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva; y,• si recibe a traves de la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva un mensaje relacionado con la distancia o un mensaje relacionado con la integridad transmitido por otro nodo secundario (13) asociado con un nivel jerarquico secundario inferior al nivel jerarquico secundario con el que esta asociado dicho nodo secundario (13), retransmitir a traves de la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva el mensaje relacionado con la distancia recibido o el mensaje relacionado con la integridad recibido1015
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- 9.25
- 10.3035
- 11.40 12.encaminandolo hacia uno o mas nodos asociados con un nivel jerarquico superior al nivel jerarquico secundario con el que esta asociado dicho nodo secundario (13).Sistema de navegacion segun cualquier reivindicacion anterior, en el que la unidad de control de vefuculo esta configurada para enviar al modulo de control de mision (11), usando la interfaz de radiocomunicacion predefinida respectiva, primeros datos de localizacion referentes a las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicha unidad de control de vefuculo;en el que el modulo de control de mision (11) esta configurado para:• calcular una posicion del vefuculo no tripulado (12) en el sistema de coordenadas de referencia local basandose en los primeros datos de localizacion recibidos desde la unidad de control de vefuculo; y• enviar segundos datos de localizacion referentes a la posicion del vefuculo no tripulado (12) en el sistema de coordenadas de referencia local a la unidad de control de vefuculo usando la interfaz de radiocomunicacion predefinida respectiva;y en el que la unidad de control de vefuculo esta configurada para pilotar el vefuculo no tripulado (12) en dicho entorno basandose tambien en los segundos datos de localizacion recibidos desde el modulo de control de mision (11).Sistema de navegacion segun la reivindicacion 7, en el que la unidad de control de vefuculo esta configurada para enviar los primeros datos de localizacion al modulo de control de mision (11) tambien a traves de la red de localizacion y comunicacion jerarquica usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva; y en el que el modulo de control de mision (11) esta configurado para recibir los primeros datos de localizacion desde la unidad de control de vefuculo y enviar los segundos datos de localizacion a la unidad de control de vefuculo tambien a traves de la red de localizacion y comunicacion jerarquica usando el nodo primario.Sistema de navegacion segun cualquier reivindicacion anterior, en el que el modulo de control de mision (11) esta configurado para enviar los datos de mision y los datos de navegacion a la unidad de control de vefuculo tambien a traves de la red de localizacion y comunicacion jerarquica usando el nodo primario; y en el que la unidad de control de vefuculo esta configurada para recibir los datos de mision y los datos de navegacion desde el modulo de control de mision (11) tambien a traves de la red de localizacion y comunicacion jerarquica usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva.Sistema de navegacion segun cualquier reivindicacion anterior, en el que la unidad de control de vefuculo esta configurada para:• detener el vefuculo no tripulado (12) si el estado de integridad global de la red de localizacion y comunicacion jerarquica no satisface condiciones predeterminadas; y• prevenir que el vefuculo no tripulado (12) colisione con los nodos de la red de localizacion y comunicacion jerarquica basandose en la posicion del vefuculo no tripulado (12) en el sistema de coordenadas de referencia local, en los datos de navegacion recibidos desde el modulo de control de mision (11) y en las mediciones de distancia llevadas a cabo por dicha unidad de control de vefuculo.Sistema de navegacion segun cualquier reivindicacion anterior, en el que al menos un nodo secundario (13) comprende uno o mas sensores disenados para adquirir datos referentes al entorno, y esta configurado para enviar los datos adquiridos al nodo primario.Sistema de navegacion segun cualquier reivindicacion anterior, en el que el vefuculo no tripulado (12) comprende uno o mas sensores disenados para adquirir datos referentes al entorno, y en el que la unidad de control de vefuculo esta configurada para enviar los datos adquiridos por dicho(s) sensor(es) al modulo de control de mision (11) usando la interfaz de radiocomunicacion predefinida respectiva.Sistema segun la reivindicacion 12, en el que la unidad de control de vefuculo esta configurada para enviar los datos adquiridos por dicho(s) sensor(es) al modulo de control de mision (11) tambien a traves de la red de localizacion y comunicacion jerarquica usando la interfaz de radio de banda ultra ancha respectiva.
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