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Departamento de electronica Universidad de Alcala

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    Sistema de posicionamiento y autolocalización para sillas de ruedas autónomas

    TitleSistema de posicionamiento y autolocalización para sillas de ruedas autónomas
    Publication TypePhD Thesis
    Año de publicación2001
    Thesis Advisor(s)Mazo, M, Ureña, J
    AutoresGarcia, JC
    Idioma de publicaciónSpanish
    Degree

    PhD. in Telecommunication Engineering

    Academic DepartmentElectronica
    UniversityAlcala
    Numero de volúmenes1
    Number of Pages298
    CityAlcalá de Henares
    Fecha de publicación12/2001
    Palabras claveartificial vision, assisted mobility, assistive technology, global positioning system, local positioning system
    Abstract

    This Ph. D. thesis is aimed at the global objective of designing an appropriate architecture to add autonomous navigation through structured indoors performances to powered wheelchairs, but always keeping in mind the type of vehicle and the special needs of potential users.

    Starting from that generic objective, diferent aproaches to a solution have been derived. About the hardware architecture, a modular one has been defined by using a standar Serial Bus coming from the world of industrial and home automation. Main contributions of such architecture come from the capabilities of exchanging information between vehicle and any indoor environment, by using appropriate interfaces; those performances make easier the uploading of topological maps of the environment, even those never visited before.

    Such architecture allows the design of Human-Machine Interface modules, easy to be reconfigured in order to be adapted to the special needs of a wheelchair user, even in case of severe discapacities. A main porpouse of this approach is to keep user priority over the machine, if this is possible; this is because, from an user’s point of view, allways is better a direct drive than an assisted one.

    For those cases that need a fully autonomous navigation, the defined architecture allows to add such performances over the same basic platform; this characteristic is important from an economic point of view. Main block of this thesis is focused on the design of a Localization and Positioning System (LPS) with appropriate characteristics to be installed on board of powered wheelchairs and with a minimal impact and cost over the infrastructure of buildings.

    Basic component of the LPS is an codified artificial landmark (known as Localization and Positioning Mark, LPM), that have been designed by the author under the following rules: low cost and high eficiency in terms of information density and recovery of information procedures. The LPM has got unique characteristics, in the actual author’s knowledge, among similar systems documented by other research groups; this is because the combination of geometric parameters, local positioning parameters, and codified informations aimed to get a global localization in a topological map of the indoor environment.

    Cycle closes with the design of a navigation model apropriate to structured indoor environments; this model uses the recovered codified information from the LPM in order to know, despite any kind of indetermination, the global localization of the vehicle. Afterwards, route and path planning is easier to make by knowing a topological map of the building or indoor environment, that can be uploaded on-line while passing through main access points, so it is possible to navigate autonomously even in buildings never visited before; that one is a new performance that highly contributes to the advance in the Assisted Mobility technologies.

    Resumen

    La presente tesis doctoral tiene como objetivo global diseñar una arquitectura adecuada para la incorporación de prestaciones de navegación autónoma por interiores estructurados a sillas de ruedas motorizadas, teniendo en cuenta las particularidades inherentes a este tipo de vehículos y usuarios.

    Del objetivo genérico anterior han derivado distintas aproximaciones a la solución del problema. En lo que respecta a la arquitectura hardware, se define una estructura modular basada en el uso de un Bus Serie estándar en automatización industrial y doméstica. Las principales novedades del uso de tal arquitectura derivan de su capacidad de intercambiar información, mediante el uso de las interfaces adecuadas, con el propio entorno, lo que facilita las tareas de carga de mapas topológicos del entorno incluso en aquellos que no han sido previamente visitados.

    La misma arquitectura permite el diseño de módulos de interfaz hombre-máquina (HMI, Human Machine Interfaces), reconfigurables y adaptables a las necesidades particulares de cada usuario de silla de ruedas, incluso en aquellos casos de discapacidad grave. El interés de esta aproximación es el de mantener, en lo posible, la prioridad del usuario sobre la máquina pues, en su caso, la conducción directa debe ser preferible a la asistida.

    Para aquellos casos en los que una navegación plenamente autónoma sea necesaria, la arquitectura definida permite añadir tales prestaciones, sin cambiar de plataforma base con el consiguiente beneficio económico. El núcleo fundamental de esta tesis se concentra en el diseño de un Sistema de Posicionamiento y Localización (SPL) con características idóneas para su incorporación a bordo de sillas de ruedas motorizadas, con un coste e impacto mínimo sobre la infraestructura de los edificios que lo equipen.

    Elemento fundamental del SPL es una marca artificial codificada (Marca de Posicionamiento y Localización, MPL), diseñada por el autor bajo las siguientes premisas: bajo coste y alta eficiencia tanto en la densidad de información encerrada como en los procedimientos de recuperación de tal información. La MPL presenta características que la hacen única, dentro del presente conocimiento del autor, entre sistemas comparables documentados por otros equipos de investigación, por la conjunción de parámetros geométricos, para el posicionamiento local, y parámetros codificados,para la localización global dentro de un mapa topológico del entorno.

    El círculo se cierra con el diseño de un modelo de navegación apropiado para interiores estructurados y que aprovecha la codificación recuperada de la MPL para establecer, sin ambigüedades, la localización global del vehículo. A continuación, la elaboración del plan de ruta se ve facilitada por el conocimiento de un mapa topológico del edificio el cual, gracias a las capacidades de intercomunicación entre móvil y entorno, puede ser cargado on-line durante el paso por los puntos de acceso principales; de esta forma pueden recorrerse autónomamente incluso edificios nunca visitados antes, con lo cual se contribuye notablemente al avance de las tecnologías en Asistencia a la Movilidad.

    AttachmentSize
    Tesis-JC-Sistema_Posicionamiento.pdf8.76 MB

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