Localización Acústica de personas en entornos acotados

Existen diversos métodos para localizar la posición de personas desplazándose en entornos acotados. Cada uno de estos métodos usa una tecnología para realizar su cometido. Existen sistemas basados en procesado de imagen, sistemas basados en navegadores inerciales con giróscopos, acelerómetros y magnetómetro y sistemas que usan la medida del tiempo de propagación de una señal. Dentro de estos últimos tenemos dos variantes principales: las que usan ondas electromagnéticas de radio y las que emplean ondas acústicas de presión.

Las ondas acústicas tienen algunas ventajas muy interesantes frente a los sistemas electromagnéticos, derivadas en su mayoría de la gran diferencia que existe entre la velocidad de propagación de una señal de radio, 300.000 Km/s, y la de una señal acústica: 340 m/s = 0.34 Km/s. De modo aproximado, la diferencia son seis órdenes de magnitud decimal. Así, para una distancia dada a recorrer por una señal y otra, las diferencias en los tiempos de propagación son de un millón de veces. En 1 ns una onda de radio recorre 30 cm. Para el mismo recorrido, una onda de presión emplea alrededor de 1 ms (0.9 ms).

 

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Si empleamos una estimación burda del ancho de banda (BW) necesario para alcanzar esas resoluciones temporales, en las que el BW= inverso (resolución temporal), nos encontramos con que en radio necesitamos un BW de 1 GHz mientras que en audio nos llega con 1 KHz. En radio es complicado alojar un ancho de banda de 1 GHz, siendo necesario hacerlo sobre una frecuencia portadora de varios GHz para tener al menos una antena con ese ancho de banda. El hardware implicado necesita ser muy rápido, consume mucho y es complejo.

Por el contrario, un sistema que operase con ultrasonidos, por ejemplo en la zona de los 20 KHz, sólo tendría que manejar tiempos del orden de 1 ms con un BW en torno a 1 KHz, muchísimo más asequibles. La capacidad computacional necesaria decrece sobre un millón de veces. Otra forma complementaria de verlo es que la resolución temporal y espacial asociada será siempre mucho mejor en un sistema acústico que en un sistema de radio, salvo grandes avances en la RF de muy alta frecuencia y en el procesado ultrarrápido de señal.

Así y todo, la solución acústica también cuenta con sus propios problemas.

La velocidad de propagación del sonido depende sobre todo de la temperatura y de la composición gaseosa del aire, en donde la parte variable viene dada principalmente por el contenido de humedad en el aire.
Así y todo, todos estos problemas de velocidad de propagación variable son evitables si contamos con una medida de la velocidad de propagación en el sistema entre dos puntos fijos conocidos entre los que conocemos su distancia. Este parámetro ha de medirse e incluirse como información de base a lo largo de toda la operación del sistema, para deducir las distancias hasta todos los otros puntos móviles, actualizándose y midiéndose constantemente mientras se opera el sistema.
Una posible implementación consistiría en montar una red fija de al menos 4 transmisores ( TXs ) en el techo o lugar elevado y radiar señales ultrasónicas hacia todo el recinto, como una constelación de satélites GPS acústicos. Al menos ha de contarse con un punto fijo receptor para usarlo como referencia para la calibración de las velocidades de propagación. Las balizas móviles receptoras consisten a grandes rasgos en un receptor acústico de bajo consumo y un relé-radio de señal para colocar cuasi-instantáneamente una réplica de la señal acústica recibida por cada baliza móvil en la centralita procesadora, en la que también se reúne la información recibida del RX fijo de calibración y las señales emitidas por los 4 TXs.

La técnica de modulación empleada por los 4 TXs puede ser algo tan básico como pulsos emitidos en turno rotativo por los 4, con unas bandas temporales muertas entre pulsos, para evitar que se solapen los ecos del último pulso emitido con el nuevo pulso a ser enviado. Los ecos en el local son fáciles de eliminar porque el camino más breve siempre debe ser el directo, siendo el 1º que llega. Sistemas tipo CDMA también podrían ser operativos, aunque requerían mayor procesado, ofreciendo robustez a cambio.

Un mayor problema es la existencia de viento en nuestro entorno acotado, no necesariamente cerrado, que podría alterar la velocidad de propagación según la dirección a favor o en contra del viento, para lo que habría que usar los receptores fijos para tener un mapa de las velocidades del viento en el recinto y poder así corregirlas.

Por otro lado, los RXs móviles se pueden desplazar a una velocidad apreciable, frente a la relativamente baja velocidad de propagación del sonido, pudiendo producir efecto Doppler y desplazando por tanto la frecuencia recibida, dato a tener en cuenta para su procesado. Una persona desplazándose a velocidad de corredor de 100 m lisos, desarrolla una velocidad de unos 40 Km/h, unos 11 m/s, que supone un 3% frente a la velocidad del sonido, lo que a 20 KHz podría suponer una desviación de frecuencia de +-650 Hz aproximadamente.

Como se ve, este escenario de propagación de señal acústica que se describe guarda muchas similitudes con el caso de la propagación acústica submarina que nos mostraba Milica Stojanovic hace unas semanas con motivo de la inauguración de la Web TV del Campus do Mar.

 

 

 

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