BR112017026541B1 - Processo para a localização de animais com o auxílio de ondas de rádio - Google Patents

Abstract

PROCESSO PARA A LOCALIZAÇÃO DE ANIMAIS COM O AUXÍLIO DE ONDAS DE RÁDIO. A presente invenção se refere a um processo para a localização de um animal com o auxílio de ondas de rádio. Na radiolocalização surge um grande número de resultados de cálculo possíveis para a localização do animal. São usados cálculos estocásticos para, com base nos resultados de medições e de cálculos precedentes relativos às posições possíveis do nó a ser localizado, a partir da pluralidade dos resultados de cálculo de cada posição atual, filtrar o resultado, o qual realmente se aplica com a maior probabilidade. Nos cálculos estocásticos, são usados valores de aceleração, os quais são medidos no animal. Neste caso, se pressupõe que, à medida que aumentam os valores de aceleração medidos, aumenta a probabilidade de poderem igualmente ocorrer distâncias maiores entre posições temporalmente sucessivas do nó a ser localizado.

Description

[001] A presente invenção se refere a um processo para a localização de animais com o auxílio de ondas de rádio.

[002] Os sistemas convencionais para a localização de objetos, como por exemplo animais, com o auxílio de ondas de rádio apresentam uma pluralidade de emissores de rádio e/ou de receptores de rádio, os quais se encontram em posições conhecidas, assim como respectivamente um emissor de rádio e/ou um receptor de rádio em cada objeto a ser localizado.

[003] Além disso, os emissores ou receptores, os são usados para a localização por meio de ondas de rádio, são designados simplesmente por "nós". De acordo; com um processo frequentemente usado, para a determinação da posição do nó disposto no animal a ser localizado em uma primeira etapa com o auxílio de sinais de rádio, é medido, qual é o comprimento pelo qual as distâncias dos nós individuais de posição conhecida diferem do nó a ser localizado. Para este efeito, é enviado, por exemplo, simultaneamente um sinal para todos os nós adicionais a partir do nó a ser localizado. Os nós receptores medem o momento em que este sinal chega. As diferenças entre os momentos individuais medidos, respectivamente multiplicado pela velocidade da luz (velocidade de propagação de sinais no meio relevante) resultam nas diferenças de distância dos nós individuais em relação ao nó emissor. Para o cálculo adicional, na primeira etapa, se parte do pressuposto que o nó a ser localizado se encontra sobre um hiperboloide, cujo eixo se estende através de dois nós de posição conhecida como os pontos focais, em que a diferença de distância medida destes nós em relação ao nó a ser localizado é igual ao comprimento, pelo qual - por definição - diferem as distâncias entre os dois pontos focais em qualquer ponto existente no hiperboloide. Através da intersecção de pelo menos três hiperboloides desta natureza, a posição possível do aparelho a ser localizado é restringida a dois pontos. A restrição adicional a um ponto pode ser realizada com o auxílio de um quarto hiperboloide (de modo que são necessários pelo menos quatro nós de posição conhecida) ou pelo fato de com base em condições geométricas conhecidas em todo o caso poder ser excluído um ponto, por exemplo porque este se encontra fora do estábulo dentro do qual os animais se podem deslocar. (Por "hiperboloide" neste texto se deve entender uma superfície em forma de concha com simetria de rotação, a qual pode ser pensada como gerada pela rotação de uma hipérbole em volta do respectivo eixo principal.)

[004] Quando em uma variante do processo descrito, na primeira etapa, por meio de ondas de rádio, são diretamente tiradas conclusões relativas às distâncias entre o nó no animal a ser localizado e os nós individuais de posição conhecida, na segunda etapa, em vez de conchas hiperboloides, devem ser consideradas conchas esféricas.

[005] Com a radiolocalização de animais de acordo com o princípio explicado se ocupam por exemplo os documentos AT 506628 Al, US 6122960 A, DE 100 45 469 C2, W09941723 A1, WO2011153571 A2 e WO2012079107 A2.

[006] Devido aos erros de medição e às imprecisões de medição significativas frequentemente inevitáveis na prática - por ex. devidas a reflexos de ondas de rádio -, devem ser introduzidas hipóteses lógicas adicionais e realizadas avaliações correspondentes, para se poder obter um resultado de localização relativamente fiável. Para além da exclusão já referida de resultados os quais devido às condições geométricas são impossíveis, são usados sobretudo métodos estocásticos para, também com base nos resultados de medições precedentes, restringir a ambiguidade de cada resultado atual e encontrar o resultado da medição, o qual reflete a realidade com a menor probabilidade de erro. Um modelo estocástico comprovado neste âmbito é o modelo oculto de Markov e, neste caso particularmente, o algoritmo de Viterbi, com o auxílio do qual pode ser encontrado, de forma relativamente eficiente, a partir de uma pluralidade de sequências de estado possíveis, a sequência de estado mais provável atualmente, respectivamente.

[007] Uma condição secundária convencionalmente usada para o cálculo da probabilidade de permanência é que, pelo menos a partir de uma determinada distância entre um local atualmente em teste e o último local de permanência pressuposto, à medida que aumenta da distância, diminui a probabilidade de o local atualmente em teste ser o local de permanência atual. Expresso de forma simplificada, isto significa que uma local de permanência atual de um animal com uma probabilidade elevada apenas se pode encontrar dentro de um círculo com um raio limitado, determinado em relação ao último local de permanência precedentemente pressuposto.

[008] Por exemplo, o documento EP 1 494 397 A2 descreve um método de radiolocalização particularmente para o uso em edifícios. Em edifícios, a radiolocalização é particularmente difícil devido à pluralidade de ocorrências de reflexos de sinais.

[009] Por exemplo, nos documentos EP 549081 A1, GB 2234070 A, GB 2278198 A, US 3999611 A, US 6122960 A, US 7616124 B2, WO 2002091001 A1, WO 2003055388 A2, WO 2006077589 A2, WO 2010108496 A1 e WO 2010109313 A1, é sugerido e explicado aplicar sensores de aceleração (entre outros) em animais vivos e a partir dos resultados de medição dos sensores de aceleração inferir o comportamento dos animais, o qual leva para às acelerações correspondentes. Convencionalmente, para este efeito, os resultados das medições, através de uma ligação via rádio, são transmitidos a um sistema de processamento de dados e através deste rastreados quanto à conformidade com as curvas temporais dos dados de aceleração registradas como padrão.

[0010] As curvas temporais registradas como padrões neste caso são características de determinadas atividades do animal, tais como por exemplo andar, comer, ruminar, dormir, eventualmente marcha coxa, acasalamento com outros animais. Para encontrar o padrão característico em trabalhos precedentes foram registrados dados de aceleração e paralelamente as atividades de animais obtidas por observação direta e a partir dos dados registrados foram filtradas correlações entre os padrões de aceleração e as atividades.

[0011] A W09941723 A1 divulga um aparelho usado por um ser humano ou por um animal, o qual pode enviar e pode receber ondas de rádio e cuja posição pode ser determinada através de um sistema de navegação por satélite. É ainda referido que o aparelho, além de diferentes sensores adicionais os quais podem medir por exemplo uma condição biológica, podem ainda apresentar um sensor de aceleração.

[0012] As WO2011153571 A2 e WO2012079107 A2 divulgam marcas auriculares com capacidade de rádio para animais, em que uma marca auricular tanto possibilita a radiolocalização como ainda pode conter um sensor de aceleração, com o auxílio do qual, através da análise de padrões, podem ser automaticamente determinadas atividades do animal.

[0013] A US 6122960 A divulga sobretudo a medição e o registro das deslocações e das distâncias percorridas por seres humanos ou por animais através da medição de acelerações e da análise das medições (integração dupla dos vectores aceleração medidos ao longo do tempo). Finalmente é sugerido determinar uma "posição absoluta" através de radionavegação.

[0014] Partindo deste estado da técnica, a invenção tem por objetivo divulgar um processo automático para a localização de animais com o auxílio de ondas de rádio o qual também possa ser usado em estábulos de estabulação livre e em pastos, o qual, em comparação com os processos desta natureza conhecidos, quanto aos recursos de investimento necessários para este efeito, forneça resultados mais precisos e mais fiáveis.

[0015] Para alcançar este objetivo, se parte do método de radiolocalização conhecido, de acordo com o qual são usados cálculos estocásticos para, com base nos resultados de medições e de cálculos precedentes relativos à posição possível do nó a ser localizado, a partir da pluralidade de resultados de cálculo de cada posição atual, filtrar o resultado, o qual com a maior probabilidade (quer dizer com a menor probabilidade de erro) realmente descreve a posição atual, em que como condição secundária é considerado que pelo menos a partir de uma determinada distância limite entre a posição definida através de um resultado de cálculo atual e a última posição pressuposta do nó a ser localizado, à medida que aumenta a distância entre ambas as posições, diminui a probabilidade de a posição de acordo com o resultado de cálculo atual ser a posição real do nó a ser localizado.

[0016] De acordo com a presente invenção, é sugerido melhorar o processo pelo fato de serem ainda medidos dados de aceleração no animal a ser localizado e de os dados de aceleração medidos serem considerados na probabilidade, de modo que quando são medidos valores de aceleração mais elevados, a probabilidade de uma distância maior entre duas posições assumidas temporalmente sucessivamente em detrimento da probabilidade de uma distância menor entre duas posições assumidas temporalmente sucessivamente, se pressupõe como aumentada.

[0017] A presente invenção é mais detalhadamente explicada com o auxílio da figura de uma variante exemplificativa vantajosa do processo de acordo com a presente invenção:

[0018] Fig. 1: ilustra de forma altamente estilizada a tarefa de descobrir, a partir de muitos locais de permanência calculados, a sequência de locais de permanência, a qual corresponde à realidade com a maior probabilidade.

[0019] Fig. 2: apresenta, em uma representação de coordenadas cartesianas, duas curvas de probabilidade a, b pressupostas para o parâmetro das distâncias entre posições (locais de permanência) possíveis temporalmente sucessivas determinadas por medição e por cálculo do nó a ser localizado.

[0020] Um sistema de radiolocalização para determinar o local de permanência e as deslocações de um animal - conforme mais detalhadamente explicado acima - apresenta uma pluralidade de nós, em que o animal, o qual se pode deslocar livremente, transporta o nó a ser localizado, e uma pluralidade de nós adicionais são montados de forma imóvel e a respectiva posição relativa uns em relação aos outros é conhecida. Em intervalos de tempo controlados, é realizada uma operação de medição e de cálculo para a radiolocalização. Conforme acima descrito, a medição ou é uma medição de distância entre o nó a ser localizado e o nó de posição conhecida ou a medição das diferenças das distâncias entre o nó e a ser localizado e os nós individuais de posição conhecida. A partir dos resultados da medição por cálculo geométrico, é obtida a posição possível do nó a ser localizado (em relação aos nós de posição conhecida). Considerando o fato de muitas vezes existirem mais de quatro nós de posição conhecida e de os sinais de rádio entre dois nós normalmente não serem transmitidos apenas em linha reta direta, mas, devido à reflexão, adicionalmente através de trajetórias mais longas, é gerada uma pluralidade de eventos de medição, a qual matematicamente pode ser designada como um sistema contraditório, sobredeterminado. Concretamente, isto significa que, quando se usa sempre os respectivos últimos quatro eventos de recepção de sinais de rádio entre a ser nó localizado e, respectivamente, um nó adicional de posição conhecida, para calcular a posição do nó a ser localizado, se obtém uma pluralidade de resultados de cálculo, os quais, respectivamente, descrevem uma posição no espaço, mas em que apenas uma pequena parte destes resultados de cálculo realmente descreve as posições do nó a ser localizado. A grande maioria dos resultados de cálculo, no entanto, está errada.

[0021] Na Fig. 1 é simbolizada esta relação. A uma pluralidade dos resultados de cálculo os quais respectivamente representam uma posição c (respectivamente simbolizada por um quadrado obliquamente em pé), se segue uma pluralidade de resultados de cálculo os quais respectivamente representam a posição d (respectivamente simbolizada por uma estrela), etc., passando por resultados de cálculo para as posições de e e posições f.

[0022] A priori, pode ser pressuposto seguramente que à trajetória real do nó a ser localizado para uma única das posições c se segue uma única das posições d, subsequentemente uma única das posições e e finalmente uma única das posições f. Representando o grande número de trajetórias possíveis na Fig. 1 é exemplificativamente simbolizada uma única trajetória g por uma linha pontilhada.

[0023] Para calcular qual é a trajetória que realmente reflete a realidade com maior probabilidade, se considera que as distâncias possíveis entre duas posições temporalmente imediatamente sucessivas (c e d, d e e, e e f) não apresentam todas a mesma probabilidade, mas que algumas classes de distâncias são mais prováveis e outras menos. As distâncias extremamente longas, por exemplo, são impossíveis, considerando que isso significaria que o animal, o qual transporta o nó a ser localizado, se teria de deslocar mais rapidamente do que os limites da biologia e da tecnologia permitem.

[0024] A Fig. 2 apresenta um diagrama que contém declarações relativas a probabilidade de valores de distâncias entre as duas posições temporalmente imediatamente sucessivas.

[0025] As duas curvas a, b descrevem respectivamente o quanto uma distância D1, D2 entre duas posições temporalmente sucessivas é provável.

[0026] Quando por ex. é válida a curva a e, para um momento, são calculadas exatamente duas distâncias Dl e D2 possíveis, então a relação de parâmetros das ordenadas Pa1 e Pa2 associadas às distâncias D1 ou D2 uma em relação à outra, mostra a relação da probabilidade de Dl ser aplicável em relação à probabilidade de D2 ser aplicável. Para o cálculo adicional o parâmetro absoluto das probabilidades deve ainda ser normalizado, de modo que a soma das probabilidades de todas as posições possíveis obtém sempre o mesmo valor (de preferência 1).

[0027] Ambas as curvas a e b apresentam o máximo em D=0, pelo que de acordo com ambas as curvas as distâncias entre posições temporalmente sucessivas são tão mais prováveis, quanto menores são as distâncias.

[0028] Contudo, a curva a cai de forma significativamente mais acentuada do que curva b. Isto significa que, quando a curva a serve para a pressuposição da probabilidade, a probabilidade de a distância maior D2 ser a aplicável, em comparação com a probabilidade de a distância menor Dl ser a aplicável, é muito menor do que quando a curva b serve para a pressuposição da probabilidade.

[0029] De acordo com a presente invenção, está previsto que a seleção de ser usada a curva a ou b variar em função das acelerações medidas pelo sensor de aceleração transportado pelo animal. Quando durante o período de tempo durante o qual se pretende calcular a posição tiverem sido medidos valores de aceleração reduzidos, é considerada a curva a mais acentuada, quando tiverem sido medidos valores de aceleração maiores é considerada a curva b.

[0030] As curvas a, b podem ser pressupostas, por exemplo, como de uma distribuição normal de acordo com Gauss, em que o desvio padrão considerado na fórmula de cálculo das curvas pode ser pressuposto como dependente da aceleração medida. A função de dependência preferencialmente deve ser tal que à medida que aumenta a aceleração, aumenta monotonamente, por exemplo diretamente proporcionalmente à aceleração medida, o desvio padrão.

[0031] As curvas e dependências ótimas de como a forma das curvas depende das acelerações medidas têm de ser determinadas empiricamente. Para este efeito são protocoladas as deslocações de animais - ou de robôs, etc. -, por um lado, por observação direta, por medição de trajetória e por registro e, por outro lado, determinadas por radiolocalização, medições de aceleração e cálculo conclusivo. O cálculo conclusivo é variado com diferentes parâmetros de cálculo (por ex. diferentes dependências dos desvios padrões de curvas de acordo com a Fig. 1 da aceleração medida) até que ambos os métodos de determinação fornecem os melhores possíveis resultados igualmente bons.

[0032] Quando todos os parâmetros são pressupostos corretamente e usados no cálculo, o melhor de todos os caminhos possíveis g pode ser obtido de acordo com a Fig. 1 pelo fato de, de todos os caminhos possíveis ao longo das sequências de posições c-d-e-f, serem formados os respectivos produtos das três probabilidades associadas respectivamente às distâncias c-d, d-e e e-f de acordo com a Fig. 1, e, subsequentemente, ser selecionado o caminho no caso o qual este produto é mais elevado. (Para manter o esforço computacional em limites bem toleráveis, devem ser usados os métodos conhecidos acima referidos modelo oculto de Markov, particularmente o algoritmo de Viterbi.)

[0033] Pelo valor de aceleração considerado no cálculo das probabilidades, se deve entender um valor numérico matematicamente processado, o qual é formado a partir da pluralidade de valores de aceleração medidos respectivamente no período de tempo atual e o qual representa bem esta pluralidade de valores. Tanto pode ser um valor médio estatístico tal como, por exemplo, o valor efetivo (valor médio quadrado), ou a soma geométrica dos valores efetivos medidos em direções individuais ou o valor médio aritmético ou o valor médio dos valores absolutos individuais, etc., mas pode ainda ser uma mistura ponderada de diferentes valores médios desta natureza ou o valor de uma soma vectorial dos vectores de aceleração determinados individualmente. Na prática o método de determinação, por sua vez, é melhor determinado empiricamente. A seleção não depende apenas da precisão matemática teórica, mas ainda, por exemplo, da frequência de medição, da precisão da medição, da capacidade de computação disponível, etc.

[0034] Como um resultado da monitoração das deslocações de um animal, é particularmente interessante saber qual é a quantidade de caminho que o animal percorreu em um período de tempo (por ex. em um dia), considerando que isso diz muito sobre o nível de atividade do animal e, por conseguinte, sobre a condição do animal. O conhecimento das posições exatas que o animal assumiu em cada momento, no entanto, é menos fiável e, por conseguinte, menos interessante.

[0035] Sobretudo quando se trata da monitoração do caminho total que um animal percorreu em um “período de tempo prolongado” (por ex. uma hora ou um dia), os erros de radiolocalização se expressam de forma relativamente muito forte quando o animal se desloca pouco e, por conseguinte, são medidas também acelerações reduzidas.

[0036] Por conseguinte, de acordo com uma modalidade preferida do processo de acordo com a presente invenção, é recomendável, no cálculo da trajetória provável que um nó de um sistema de radiolocalização fixado em um animal percorre, considerar que os resultados do sistema de radiolocalização - quer dizer as informações obtidas através da transmissão de sinais de rádio relativas à distância do nó a ser localizado em relação a nós de posição conhecida ou relativas à distância entre posições temporalmente sucessivas do nó a ser localizado - os quais foram obtidos, enquanto eram medidos valores de aceleração elevados, são aplicáveis com uma maior probabilidade, do que os resultados do sistema de radiolocalização, os quis foram obtidos, enquanto eram medidos valores de aceleração reduzidos.

[0037] Existe uma pluralidade de possibilidades de a trajetória considerada como mais provável ser incluída no cálculo concreto. Como método exemplificativo extremamente simples podem simplesmente ser ignorados resultados de medição da radiolocalização, os quais são válidos para intervalos de tempo em que o valor da aceleração medida se situava abaixo de um determinado limite mínimo. A trajetória pressuposta finalmente subsequentemente se estende no caminho mais direto possível apenas entre as posições de resultado possíveis da radiolocalização as quais são válidas para os momentos nos quais foram medidas acelerações as quais se situavam acima do referido valor mínimo.

Claims (4)

1. Processo para a localização de um animal com o auxílio de ondas de rádio, em que o animal está equipado com um nó de um sistema de radiolocalização a ser localizado, e em que uma pluralidade de nós do sistema de radiolocalização adicionais estão dispostos em posições conhecidas, em que são transmitidos sinais de rádio entre o nó a ser localizado e os nós de posição conhecida e, a partir dos parâmetros medidos durante a transmissão de sinais, são calculadas distâncias individuais e/ou diferenças de distância individuais entre os nós individuais de posição conhecida, por um lado, e o nó a ser localizado, por outro lado, e em que, através de um sistema de processamento de dados, a partir de uma pluralidade de cálculos desta natureza, são calculadas posições possíveis do nó a ser localizado, caracterizado pelo fato de que são usados cálculos estocásticos para, com base nos resultados de medições e de cálculos precedentes relativos à posição possível do nó a ser localizado, a partir da pluralidade dos resultados de cálculo de cada posição atual, filtrar o resultado, o qual realmente descreve a posição atual com a máxima probabilidade, em que, como condição secundária, é considerado que pelo menos a partir de uma determinada distância limite entre a posição definida através de um resultado de cálculo atual e a última posição pressuposta do nó a ser localizado, à medida que aumenta a distância entre ambas as posições, diminui a probabilidade de a posição de acordo com o resultado de cálculo atual ser a posição real do nó a ser localizado, em que são ainda medidos dados de aceleração no animal equipado com o nó a ser localizado, e os dados de aceleração medidos são transmitidos ao sistema de processamento de dados, em que a pressuposição da referida probabilidade depende dos dados de aceleração medidos, em que, no caso de valores de aceleração maiores, a probabilidade de uma distância maior entre duas posições assumidas temporalmente sucessivamente, em detrimento da probabilidade de uma distância menor entre duas posições assumidas temporalmente sucessivamente, se pressupõe como aumentada.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a probabilidade para o valor de uma distância entre duas posições temporalmente sucessivas do nó a ser localizado é pressuposta em função do valor da distância como pelo menos aproximadamente de uma distribuição gaussiana normal, em que se pressupõe que o desvio padrão aumenta monotonamente com a aceleração medida.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que, como valor de aceleração considerado na pressuposição da probabilidade, é usada uma média estatística de valores de medição de acelerações temporalmente sucessivos.

4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que, no cálculo da sequência provável de uma série de posições que o nó a ser localizado assumiu, as informações de distância relativas ao nó a ser localizado medidas a partir da transmissão de sinais de rádio são usadas como aplicáveis no cálculo com uma probabilidade maior quando, durante a medição de aceleração, são registrados valores de aceleração mais elevados do que quando, durante a medição de aceleração, são registrados valores de aceleração mais reduzidos.