ES2249975B1 - Sistema de localizacion gnss para flotas de vehiculos, aplicable a vehiculos ferroviarios. - Google Patents
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Abstract
Sistema de localización GNSS para vehículos, caracterizado por el uso combinado de tecnologías de navegación por satélite (GPS, WAAS, EGNOS, GALILEO), sensores inerciales (giro, aceleración, rumbo, altura, velocidad), sistema de comunicación de última generación, así como de información cartográfica en formato digital vectorizado sobre un sistema de información geográfico (GIS), que obtiene la determinación de la posición sobre el mapa (recalado), mediante la combinación del mapa topológico de las vías por las que circula el vehículo con mapas de giros, aceleraciones y rumbos, lo que permite la localización incluso sin recepción de señal GNSS bajo ciertas condiciones, estando integrado por un dispositivo móvil que se ubica sobre el vehículo a localizar y un centro de control que gestiona la información enviada por el dispositivo, y desde el que se llevan a cabo las acciones de seguimiento, control, gestión y configuración.
Description
Sistema de localización GNSS para flotas de
vehículos, aplicable a vehículos ferroviarios.
La presente memoria descriptiva se refiere a un
sistema de localización GNSS para flotas de vehículos, aplicable a
vehículos ferroviarios, basado en tecnologías de localización por
satélite (GNSS), que está integrado por dos componentes, un
dispositivo móvil que se aloja en el vehículo correspondiente, y un
centro de control desde el que se llevan a cabo las labores de
control, seguimiento y configuración del sistema.
Esta invención tiene su aplicación dentro del
sector de la localización para seguridad, seguimiento, gestión y
control de vehículos o flotas de vehículos.
Para la descripción de la presente invención se
emplea la siguiente terminología, comúnmente aceptada en el sector
de la técnica al que se refiere, cuyo significado desglosamos a
efectos de facilitar su comprensión:
- Acelerómetro:
- Sensor que mide la aceleración lineal
- Barómetro:
- Sensor empleado para medir la presión atmosférica y por ende las variaciones de altitud
- EGNOS:
- Sistema europeo de aumentación de área extensa que proporciona correcciones diferenciales para el sistema GPS
- GALILEO:
- Sistema europeo de navegación por satélite. Similar al sistema GPS, se prevé su puesta en marcha en el año 2010.
- Giróscopo:
- Sensor que mide la velocidad angular.
- GIS:
- Geographic Information System, Sistema de información geográfica (SIG)
- GLONASS:
- Sistema de posicionamiento global basado en el uso de una constelación de satélites. Similar al sistema GPS, es de origen ruso.
- GNSS:
- Global Navigation Satellite Systems, Sistemas de navegación global por satélite. Típicamente GPS, GLONASS, EGNOS, GALILEO, WAAS
- GPRS:
- Sistema de comunicaciones móviles que permite la transmisión de datos de hasta 56 K
- GPS:
- Global Positioning System, sistema de posicionamiento global creado por el ejército americano (EEUU) constituido por una red de 24 satélites que orbitan alrededor de la Tierra.
- GSM:
- Sistema de comunicaciones móviles que permite transmisión de mensajes cortos (SMS) y comunicaciones de datos de hasta 9600 baudios
- Map-matching:
- Recalado. Operación consistente en asociar el punto obtenido por los sistemas de posicionamiento (ej GPS) al lugar correspondiente en el mapa o plano. En muchos casos supone eliminar los errores del sistema de posicionamiento para realizar una localización precisa sobre la vía correspondiente (calle, carretera, camino, autopista, vía ferroviaria, edificio...).
- Odómetro:
- Sensor que mide la velocidad lineal
- UMTS:
- Sistema de comunicaciones móviles de tercera generación que permite comunicaciones de datos de banda ancha
- WAAS:
- Sistema americano (EEUU) de aumentación de área extensa que proporciona correcciones diferenciales para el sistema GPS
Existe en la actualidad una variedad amplia de
aplicaciones de localización de vehículos basadas en tecnologías de
localización por satélite. La mayoría de estos sistemas emplean, en
síntesis, un sensor GNSS (habitualmente GPS) y un sistema de
información geográfica con un mapa de las vías por las que circula
el vehículo.
Los sistemas más avanzados combinan
adicionalmente una serie de sensores inerciales constituidos por
giróscopos, acelerómetros, odómetros, brújulas y barómetros. La
información proveniente de los sensores se funde con los datos
proporcionados por el sensor GNSS para obtener una posición más
precisa e incluso obtener solución durante un tiempo cuando no está
disponible la información GNSS. Este último caso es típico de un
túnel o de una situación de cañón urbano.
La base en la que se fundamenta la fusión de los
datos provenientes de los distintos sensores y del sensor GNSS está
en obtener la misma información (la posición) por distintos medios
para llegar a realizar un promedio de la posición, usualmente
mediante un filtro de Kalman. En definitiva, por un lado el sensor
GNSS entrega una estimación de posición, por otro lado, los
diferentes sensores entregan información de distinta naturaleza que
transformada adecuadamente, permite obtener otras estimaciones de
posición. La combinación de todas ellas supone una estimación
mejorada de la posición.
Con la información de posición y empleando una
base de datos cartográfica (mapa, callejero, etc) a través de un
proceso de recalado más o menos complejo
(map-matching) se llega a la localización
precisa del vehículo sobre el mapa. (Figura 1).
Esta aproximación está basada en disponer
periódicamente de una buena medida de la posición a través del
sensor GNSS. Asimismo permite compensar durante un tiempo limitado
deficiencias en la información entregada por este sensor, por
ejemplo, mientras el vehículo atraviesa un túnel.
Adicionalmente, un sistema de este tipo requiere
una calibración periódica de los sensores a partir de la
información del sensor GNSS, lo que en definitiva implica que un
dato de poca calidad del sensor GNSS supone al final una solución
de posición de poca calidad.
En la actualidad hay una gran difusión de los
sistemas de este tipo y existen aplicaciones comerciales en todos
los sectores del transporte aéreo, terrestre y marítimo.
En determinados casos esta aproximación no
permite obtener una solución adecuada. En particular en los
entornos ferroviarios en numerosas ocasiones existen tramos con
varias vías, cambios de aguja y en definitiva una topología
extremadamente compleja. Asimismo, no siempre es posible disponer
de una posición del sensor GNSS debido a que la existencia de
túneles, edificios, cables, reducen la visibilidad de la
constelación de satélites, lo que produce que en muchas ocasiones no
se disponga de información real de la posición del vehículo sobre
la vía.
La Figura 2 ilustra esta situación donde se
muestra una vía que se desdobla en una serie de vías al llegar al
punto B. Se ha representado por un círculo el lugar geométrico de
los puntos en los que la estimación de posición puede darse con una
probabilidad del 95%. Una estimación mala de la posición de la
locomotora en el punto A como la mostrada no es problemática puesto
que el recalado (map-matching) la puede
situar finalmente sobre la vía. Si la estimación se produce en el
punto C con las mismas características entonces el sistema no puede
determinar si la locomotora se encuentra en el vía 1, 2 ó 3. Esta
situación se produce con relativa frecuencia en entornos
ferroviarios cuando la visibilidad de la constelación de satélites
no es adecuada.
El sistema de localización GNSS para flotas de
vehículos, aplicable a vehículos ferroviarios, que se presenta
supone una aproximación nueva para la resolución del problema de
localización que permite determinar la posición del vehículo incluso
en ausencia de señal del sensor GNSS ante ciertas
circunstancias.
La solución empleada consiste en la utilización
de tecnologías de navegación por satélite (GPS, WAAS, EGNOS,
GALILEO), combinadas con distintos tipos de sensores inerciales,
giróscopo, acelerómetro, barómetro, brújula, odómetro, junto con un
conjunto de mapas asociados. El tipo y número de sensores depende
en cada caso de la aplicación de que se trate.
Asimismo, se combinan los anteriores sistemas
con un sistema de información cartográfica en formato digital
vectorizado sobre un sistema de información geográfico (GIS), y
sistemas de comunicación de última generación.
La utilización combinada de estos distintos
tipos de sensores, junto con un conjunto de mapas asociados,
requiere que el contenido de dicho conjunto de mapas varíe en
función del tipo de sensor. Por ejemplo:
- Giróscopo, mapa de giros (variaciones)
- Acelerómetro, mapa de aceleraciones
(variaciones)
- Brújula, mapa de rumbos
- Barómetro, mapa de presiones (variaciones),
alturas
- Odómetro, mapa de velocidades.
El proceso consiste en la realización del
recalado (map-matching) para cada sensor y
tipo de mapa.
Cada uno de los procesos de recalado que tiene
lugar para cada sensor y mapa tiene como resultado una posición
estimada del vehículo sobre el mapa correspondiente. La combinación
de todas ellas da lugar a la estimación mejorada de posición del
vehículo.
Para su funcionamiento, el sistema consta de dos
componentes, un dispositivo móvil que se aloja en el vehículo que
quiere localizarse, y un centro de control desde el que se llevan a
cabo las tareas de gestión, control, seguimiento y localización.
El dispositivo móvil (Figura 3) está integrado
por:
- Unidad central de proceso (1): constituida por
un sistema embebido basado en microcontrolador o similar, junto con
un sistema de almacenamiento (memoria).
- Módulo de comunicaciones (2): existen
diferentes configuraciones en función de la solución particular,
desde un sistema de radio convencional VHF, UHF, HF, sistemas de
comunicaciones móviles (GSM, GPRS, UMTS) hasta sistemas Tetra o
Trunking.
- Sensor GNSS (3): habitualmente consiste en un
receptor de GPS+WAAS o EGNOS aunque se admiten otras como GLONASS o
GALILEO cuando estén disponibles.
- Otros sensores (4): sensor de giro, sensor de
aceleración, brújula.
- Sistema de alimentación (5): consiste en un
sistema de regulación de tensión y en función de la solución puede
estar constituido por unas placas solares, un sistema de baterías
recargables, y un sistema de recarga.
El centro de control está integrado por un
ordenador PC que integra el sistema de información geográfica, un
módulo de comunicaciones para el intercambio de información con el
dispositivo móvil y una aplicación informática desde la que se lleva
a cabo el seguimiento, control, configuración y la gestión y
operación de los vehículos.
En función de la arquitectura adoptada, parte de
los procesos de recalado se pueden realizar localmente en el
dispositivo móvil. En cualquier caso, el dispositivo móvil transmite
toda la información necesaria a través del módulo de comunicaciones
hasta el centro de control donde se produce el cálculo de la
posición del vehículo. (Figura 4).
La Figura 1 muestra el proceso que tiene lugar
para la obtención de una posición mediante las técnicas actuales a
partir de la información proveniente de los sensores, el filtrado
(habitualmente mediante un filtro de Kalman) el mapa y el proceso de
recalado (map-matching) final para
encontrar la posición sobre el plano.
La Figura 2 ilustra una de las situaciones en
las que no es posible determinar la posición del vehículo cuando el
sensor GNSS proporciona un dato de poca calidad. El círculo
representa el lugar probable (al 95%) donde se encuentra el vehículo
según el sensor GNSS. En el punto A una imprecisión de esta
naturaleza permite aún así y mediante el recalado situar el
vehículo sobre la vía. En el punto B se producen una serie de
bifurcaciones. En el punto C la posición proporcionada por el
sensor GNSS no permite concluir sobre qué vía se encuentra la
locomotora, por lo que es necesario emplear algún sistema adicional
para poder resolver la indeterminación.
La Figura 3 muestra la arquitectura del
dispositivo móvil, consistente en una CPU que integra un
microprocesador (o microcontrolador) junto con la unidad de
almacenamiento (memoria) y los módulos de comunicaciones (PMR, GSM,
GPRS, UMTS, Tetra o Trunking), el sensor GNSS (GPS, ENGOS, WAAS,
GLONASS, GALILEO) y los sensores inerciales (odómetro, giróscopo,
acelerómetro, barómetro, brújula). El módulo de alimentación
proporciona la alimentación requerida al sistema para cada uno de
los módulos y junto al sistema de regulación de potencia, puede
integrar placas solares, baterías y un sistema de recarga.
La Figura 4 muestra la solución adoptada para la
obtención de la posición mediante la aplicación de sucesivos
procesos de recalado (map-matching) entre la
información de cada sensor y su mapa correspondiente. Las
posiciones estimadas por cada uno de éstos son combinadas para
obtener una estimación mejorada de la posición del vehículo.
La Figura 5 muestra la arquitectura del sistema
de localización de vagones en entorno ferroviario.
La Figura 6 muestra la variación del rumbo
(señal del giróscopo integrada) en el caso de varias vías que se
separan en distintas direcciones. En este caso la determinación de
la vía es sencilla, observando el signo de la variación de la
señal.
La Figura 7 muestra la variación del rumbo
(señal del giróscopo integrada) en el caso de varías vías que se
separan en la misma dirección. Para resolver la indeterminación, es
necesario realizar la medida del giróscopo frente a la distancia
recorrida.
La invención objeto de la presente patente ha
sido llevada a la práctica en el proyecto "Sistema de
Localización para Vagones Torpedo mediante GPS". Dicho proyecto
consiste en la localización de vagones torpedo (vagones que se
emplean para transportar arrabio en siderurgia) mediante el uso
combinado de GPS, giróscopo e información topológica de la red de
viales, utilizando la red GPRS para el envío de los datos a la
central en tiempo real.
El sistema descrito consta de los siguientes
elementos:
Equipo móvil embarcado en cada vagón con un
módulo de localización GPS, un módulo de comunicaciones GPRS, y los
sensores inerciales necesarios para el proceso de
map-matching. El equipo posee una unidad de
alimentación con una batería recargada periódicamente.
Centro de control para la recepción y el
procesamiento de la información recibida de los equipos móviles
embarcados en los vagones y que determina la localización de los
mismos en la topología de vías disponible a partir de una base de
datos geográfica (GIS) y la aplicación de un sistema de recalado
(map-matching). Las condiciones intrínsecas
de la topología de un entorno ferroviario permiten reducir las
diferentes hipótesis en el proceso para la determinación de la
localización del vehículo. (Figura 5).
El entorno de la acería presenta grandes
estructuras metálicas que incluso pueden llegar a ocultar
parcialmente la visión del cielo al receptor GPS, por lo que se
detectó la necesidad de realizar un sistema combinado de recalado
(map-matching).
Debido a las características físicas de los
vagones torpedo, no ha sido factible la utilización de un
acelerómetro de coste medio, puesto que éste debería tener una gran
sensibilidad para poder percibir las variaciones de velocidad tan
pequeñas que se presentan. Por otra parte, debido a condicionantes
mecánicos y de coste, tampoco ha sido factible la utilización de un
barómetro. Las entradas al sistema de recalamiento provienen
únicamente del recalado (map-matching) de la
información del GPS, de giróscopo y de odómetro.
Para un caso de vías que se separan en distintas
direcciones, se observa en la siguiente figura cómo se puede
determinar unívocamente la vía por la que circula el vagón
realizando el recalado (map-matching) de la
información del giróscopo. (Figura 6).
En la figura 6 se muestra la información del
rumbo frente al tiempo/distancia. El rumbo se ha obtenido
integrando la señal del giróscopo en el tiempo. Como se puede
observar, la determinación de la vía es sencilla, puesto que en el
caso de giro a izquierdas se observa una variación positiva de la
señal por encima del valor umbral de ruido, y en el caso de giro a
derechas se observa una variación negativa por debajo del valor
umbral de ruido, bien sea en tiempo o en distancia obtenida por
integración de la señal del odómetro.
Para la situación de topología coincidente
(varias vías que giran hacia el mismo lado), es vital la
información espacial del giro, ya que las variaciones de rumbo son
del mismo signo. (Figura 7).
Como se puede observar, en este caso la
diferencia entre la vía roja y la azul es la amplitud del giro, es
decir, la distancia en el que la variación del rumbo es superior al
umbral de ruido (x1-x0 para la vía azul, y
x2-x0 para la vía roja). La distancia se ha obtenido
por integración de la señal del odómetro en el tiempo.
La información de posición obtenida por el GPS y
la señal de rumbo procedente del giróscopo en distancia, se envían
a la central a través del módem GPRS del que dispone el equipo
instalado en el vagón torpedo.
En la central se recibe la información de los
móviles a través de un CVP (circuito privado virtual) de GPRS, y se
realiza el recalado (map-matching) de la
información de ambos sensores, teniendo en cuenta además la
información geográfica y topología de las vías de ferrocarril de la
acería.
Claims (7)
1. Sistema de localización GNSS para flotas de
vehículos, aplicable a vehículos ferroviarios, caracterizado
porque el sistema lleva a cabo la localización precisa de los
vehículos mediante la combinación de tecnologías de navegación por
satélite, un sistema de recalado
(map-matching) que emplea la información de
uno o más sensores inerciales, giróscopo, acelerómetro, barómetro,
brújula, odómetro, y los mapas asociados a cada uno de ellos, un
sistema de información cartográfica en formato digital vectorizado
sobre un sistema de información geográfico (GIS), y sistemas de
comunicación de última generación, en el que la posición mejorada
se obtiene de la combinación de los datos recibidos del sistema
GNSS, junto con cada una de las posiciones obtenidas de cada uno de
los procesos de recalado que tiene lugar para cada sensor y mapa,
pudiendo incluso localizar el vehículo en ausencia de visibilidad
GPS, estando integrado por un equipo móvil embarcado en el vehículo
y un centro de control y seguimiento.
2. Sistema de localización GNSS para flotas de
vehículos, aplicable a vehículos ferroviarios, según la primera
reivindicación, caracterizado porque el equipo móvil de
localización se compone de una unidad de localización formada por un
receptor GPS, sensores inerciales (sensor de movimiento, giróscopo,
brújula, odómetro, barómetro), módem GSM/GPRS o radio, y sistema de
alimentación compuesto por batería recargable y cargador.
3. Sistema de localización GNSS para flotas de
vehículos, aplicable a vehículos ferroviarios, según las anteriores
reivindicaciones, caracterizado porque el equipo móvil
dispone de un enlace de comunicación con el centro de control a
través del cual se reciben las órdenes procedentes de éste así como
se realiza el flujo de datos entre equipo móvil y centro de
control, estando contenido en una caja metálica de reducidas
dimensiones, y dispone de batería recargable y cargador
incorporados.
4. Sistema de localización GNSS para flotas de
vehículos, aplicable a vehículos ferroviarios, según la primera
reivindicación, caracterizado porque el centro de control se
compone de un ordenador personal, tarjeta de red, y conexión a
Internet; y permite el seguimiento en tiempo real de los vehículos,
su localización exacta en el entorno y realizar la gestión de las
bases de datos y las consultas asociadas.
5. Sistema de localización GNSS para flotas de
vehículos, aplicable a vehículos ferroviarios, según las anteriores
reivindicaciones, caracterizado porque el centro de control
recibe la información de navegación proveniente de los equipos
móviles y muestra su posición sobre un mapa o plano, y permite
llevar a cabo la gestión, control y seguimiento de cada uno de los
vehículos.
6. Sistema de localización GNSS para flotas de
vehículos, aplicable a vehículos ferroviarios, según las anteriores
reivindicaciones, caracterizado porque el sistema asume la
posibilidad de no disponer de visibilidad o cobertura suficiente de
satélites GPS para determinar la localización del vehículo en zonas
especiales del entorno, utilizando en su defecto restricciones de
tipo lógico relativas al entorno y/o al estado del vehículo.
7. Sistema de localización GNSS para flotas de
vehículos, aplicable a vehículos ferroviarios, según las anteriores
reivindicaciones, caracterizado porque el sistema es capaz
de interpretar y utilizar la información procedente de distintas
fuentes: mapas geográficos, mapas topológicos, y sensores
inerciales del vehículo, y de generar hipótesis válidas de
localización y situar eficazmente al vehículo.
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