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Patent Searching and Data


Title:
SYSTEM FOR LOCATING MOBILE OBJECTS INSIDE TUNNELS IN REAL TIME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/161391
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a system for locating or monitoring, in real time, persons and objects which are mobile inside tunnels, with high infrastructure density, by means of estimating lengths, angles or patterns obtained via electromagnetic signals, characterised in that the real-time location system (WILOS-RTLS) consists of four essential means for performing the locating: an optical fibre/UP Ethernet switch (1), stationary RTLS devices (2), a mobile TAG device arranged on machinery and personnel (5) and location calculation software (6); the RTLS devices (2) receive a corresponding RF interface wireless signal (4) from the mobile tag device (5) having an unknown position, which emits the RF signal thereof using microsecond periodicity; when at least two stationary RTLS devices (2) receive the RF interface wireless signal (4) from the mobile device (mobile tag on machinery or personnel) (5), said devices estimate the time differential of arrival of the RF interface transmission (4) (TDoA), and then send the estimated information, over the wired network infrastructure via an optical fibre/UP or wireless Ethernet switch (1) by means of an RF interface between stationary devices (3), to location calculation software (6); thus, the information received from at least two (one dimension), three (two dimensions) or four (three dimensions) RTLS devices (2) is processed in the software (6) in order to apply mathematical lateration techniques that is based on the TDoA information; finally, once the position has been estimated in said software (6), said information is held in order to be used in any application that can create graphs and adapt to an interface that is suitable for the location scenario.

Inventors:
SEPULVEDA MUÑOZ ALBERTO ANTONIO (CL)
Application Number:
CL2014/000021
Publication Date:
October 29, 2015
Filing Date:
April 24, 2014
Export Citation:
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Assignee:
CHESTA INGENIERĹA S A (CL)
SEPULVEDA MUÑOZ ALBERTO ANTONIO (CL)
International Classes:
G01S5/00; G01S1/00; G01S5/14; G01S19/00; G01S19/42
Domestic Patent References:
WO2001046711A12001-06-28
WO2000068907A12000-11-16
Foreign References:
US20110051608A12011-03-03
US6700533B12004-03-02
Attorney, Agent or Firm:
Ochoa Disselkoen, Jose Alberto (CL)
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Claims:
R E IV I N D I C AC I O N E S

1 .- Sistema de localización o seguimiento en tiempo real, de personas y objetos móviles en el interior de túneles, con alta densidad infraestructura!, mediante la estimación de longitudes, ángulos o patrones, obtenidos a través de señales electromagnéticas, CARACTERIZADO porque el sistema de localización en tiempo real (WILOS-RTLS), está conformado por cuatro medios esenciales para realizar localización, un switch Ethernet fibra óptica/UP (1 ), unos dispositivos fijos RTLS (2), un dispositivo TAG móvil dispuestos en maquinarias y personal (5) y un Software de cálculos de localización (6); los dispositivos RTLS (2) reciben una señal inalámbrica interfaz RF (4) correspondiente del dispositivo móvil TAG (5) de posición desconocida, quien emite su señal RF a intermitencia del orden de los mseg; cuando a los menos dos dispositivos fijos RTLS (2) reciben de la señal inalámbrica interfaz RF (4) desde el dispositivo móvil (TAG móvil en maquinaria o persona) (5), estos estiman el tiempo diferencial de arribo de la emisión de Interfaz RF (4) (TDoA), para luego enviar la información estimada, a través de la infraestructura de red cableada mediante un switch Ethernet fibra óptica/UP (1 ) o inalámbrica mediante (interfaz RF entre dispositivos fijos) (3), hacia un software de cálculos de localización (6); de esta forma, la información recibida desde a lo menos de dos dispositivos RTLS (2) (una dimensión), o tres (dos dimensiones) o cuatro (tres dimensiones), es procesada en el software (6), para aplicar técnicas matemáticas de lateración apoyada en la información de TDoA; finalmente, una vez estimada la posición en dicho software (6), se tiene esta información para ser utilizada en cualquier aplicación que grafique y adapte a una interfaz acorde al escenario de localización.

2.- Sistema de localización o seguimiento en tiempo real, de personas y objetos móviles en el interior de túneles, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dado que, la infraestructura de localización está basada en TCP/IP (UTP, F.O, o Wireless), el sistema WILOS puede ser combinado, mediante sub redes, para distintas formas que adopten cualquiera fuese la geometría del espacio de trabajo.

3.- Sistema de localización o seguimiento en tiempo real, de personas y objetos móviles en el interior de túneles, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la implementación completa del sistema WILOS para localización y visualización de posición, se constituye desde un computador de visualización (9), servidor de interfaz industrial HMI, OPC, SCADA (8), servidor con software de cálculos WILOS-RTLS (8), conectados en red TCP/IP Ethernet o fibra óptica a través de (1 ), o bien wireless extendida a través de (10), para finalmente llegar a los dispositivos fijos de localización (2) quienes reciben una señal RF desde TAG para personas (4) y móvil (6a) siendo los objetivos móviles (6a) de posición desconocida a localizar; de esta forma, cualquier variante de distribución de los dispositivos fijos RTLS (2), es soportada para poder adaptarse a cualquiera fuese la geometría del espacio de localización.

Description:
TITULO: "SISTEMA DE LOCALIZACION EN TIEMPO REAL DE OBJETOS MOVILES EN INTERIOR DE TUNELES"

Antecedentes de la Invención

La invención se refiere a un sistema de localización o seguimiento en tiempo real de objetos móviles y personas en el interior de túneles, como por ejemplo en la minería, que integra una de la tantas tecnologías de radiofrecuencia para estimar distancia, tecnología que ha sido desarrollada para ser parte del género RTLS (Real Time Location System), si bien existen múltiples técnicas de estimación de localización en tiempo real mediante señales electromagnéticas, la relevancia de esta invención es que, indistintamente del tipo de tecnología utilizada, se realiza una adaptación, diseño y desarrollo de medios electrónicos y software para poder utilizarlas en la geografía y ambiente de túneles, ya sean del tipo minero, transporte u cualquiera fuese el escenario interior del tipo excavación al interior de suelo alguno. Cabe aclarar que un sistema de "Posicionamiento" se apoya en referencias espaciales estandarizadas a escenarios globales, por ejemplo coordenadas absolutas en latitud y longitud, en cambio un sistema de "Localización", está orientado a utilizar referencias relativas según el escenario en que se utilice, pueden ser distancias métricas, puntos de conteo, tiempos de movimiento, etc.

Históricamente se han utilizado distintas tecnologías de navegación o posicionamiento, por necesidad militar en sus principios y posteriormente adaptadas a necesidades civiles, por nombrar los más conocidos se tienen los sistemas de radar y GPS, los cuales se han apoyado en el avance en las tecnologías de las comunicaciones por señales electromagnéticas. Si bien los sistemas mencionados anteriormente han sido exitosamente funcionales en ambientes exteriores, no lo han sido así en zonas altamente pobladas donde se interfieren sus señales por la alta densidad de edificaciones así como en ambientes subterráneos. Este vacío de cobertura, de los sistemas GPS por ejemplo, han desafiado a investigaciones en el aprovechamiento de las tecnologías inalámbricas de comunicaciones, las cuales han sido cada vez más masificadas en nuestra cotidianeidad, un ejemplo de esto ha sido la mejora de precisión mediante la combinación de GPS y telefonía celular (A-GPS), que sin embargo aún en edificios de estructura densa no alcanza precisión menor a décimas de metros.

En la actualidad existen distintos sistemas comerciales del tipo RTLS, los cuales utilizan tecnologías RFID, Wi-F¡ o UWB (Ultra Wide Band 5GHz>). Cada uno de ellos ofreciendo distintos niveles de adaptación según el escenario de instalación. Para el caso puntual de este documento, el diseño del sistema final trata del uso de la información de sistema RTLS modificado a la geometría de túneles y circuitos de ellos en sus distintas combinaciones por medios electrónicos y de software.

Un sistema de localización o posicionamiento tiene como objetivo final obtener un resultado de posición espacial en una, dos, o tres dimensiones utilizando distintas técnicas geométricas basadas en estimación de longitud o ángulos respecto a referencias conocidas (lateración, angulación o mapeo de escenario), estas técnicás geométricas se basan en la estimación de tiempos y/o ángulos; de llegada o emisión de un señal, para nuestro caso de una señal electromagnética. La arquitectura base para realizar localización, se basa en dispositivos fijos (instalados en posición conocida) y un dispositivos móvil (ubicación desconocida), de donde este último emite o responde ante una señal la cual permite estimar posiciones de llegada o tiempo que tarda hacia uno o varios dispositivos referencia, para finalmente, conociendo la velocidad de la señal en el medio que viaja o desfases de llegada, se estimen longitudes y/o ángulos para posteriormente estimar posición espacial.

Ya descrita la arquitectura general de un sistema de localización y la utilización de alguno de ellos que se enfocan generalmente a espacios con obstáculos, múltiples habitaciones, etc. Sin embargo existé un escenario particular en donde por la naturaleza física de una señal electromagnética, no existe libre transmisión en todo el espacio de trabajo, ya que barreras de alta densidad de mineral bloquean por completo la transm isión misma, este es el caso de túneles del tipo excavado o construido artificialmente. He aquí donde se debe plantear una estrategia nueva para estimar coherentemente la localización de un móvil dentro de el o los túneles por donde transita, teniendo posibilidad de cambiarse entre ellos sin perder su seguimiento.

El Invento resuelve este problema de la técnica mediante un "Sistema de Localización con estimación geométrica por parámetros de tiempo y/o ángulos de señal electromagnética, transmitida entre dispositivos fijos y móviles, con localización x,y,z de los últimos a lo largo de uno o varios túneles interconectados entre sí, diferenciando 0n cuál de ellos se encuentra y entregando información de posición relativa acorde a la infraestructura del circuito de los mismos para posteriormente integrarse a alguna interfaz visual de monitoreo". En lo que se refiere al estado de la técnica, para localización y seguimiento en general, podemos citar la patente de invención EP2003028, la que se refiere a un dispositivo redundante para localización, seguimiento y recuperación de vehículos, basado en la tecnología VLU5 conocida para la recuperación de vehículos robados, desaparecidos, accidentados o similares constituido por un equipo denominado DLU que es el resultado de unir la tecnología GSM a la Radio en un solo conjunto de hardware mediante la integración de las dos tecnologías como sistemas redundantes, proporcionando nuevas funcionalidades mediante el aprovechamiento de las herramientas de red que dispone la tecnología de telefonía móvil.

Otra patente para la localización es la patente de invención ES 2418030, la que se refiere a un método y sistema de localización y seguimiento de un dispositivo móvil en una red de nodos inalámbrica.

El método comprende:

- recibir, el dispositivo móvil (D), una serie de señales inalámbricas desde unos nodos estacionarios (n1 -n8);

- extraer y analizar información de potencia de las señales inalámbricas;

- generar información de potencia estimada asociada a un nodo del cual el dispositivo móvil (D) no ha recibido una señal inalámbrica, en un periodo determinado, o la ha recibido pero su potencia es muy débil, aplicando un factor de corrección a información de potencia previa obtenida para dicho nodo en un periodo anterior a dicho periodo determinado; y

- determinar la posición del dispositivo móvil (D) utilizando la información de potencia extraída, utilizando también dicha información de potencia estimada. El sistema está adaptado para implementar el método de la invención.

Otra patente de invención es la ES 2387815, la que se refiere Un sistema de localización de un usuario de un equipo móvil dentro de una zona predeterminada, cuando dicho usuario realiza una llamada de teléfono dentro de una zona

predeterminada (100), caracterizado por que éste comprende:

- un equipo baliza (10) para definición de dicha zona

predeterminada, que incluye:

- un dispositivo con tecnología de acceso de área local

(1 1 ) configurado para definir dicha zona predeterminada (100),

- un dispositivo (12) con acceso inalámbrico a una red de telefonía móvil (30),

- una tarjeta inteligente con un módulo de identificación de usuario (13),

- medios de almacenamiento de al menos una primera clave de acceso a dicha zona predeterminada (100) asociada a dicho usuario, y por que dicho equipo móvil (20) incluye:

- dicha tecnología de acceso de área local, y - medios de almacenamiento de al menos una segunda clave de acceso a dicha zona predeterminada (100), -medios para notificar a la red de telefonía móvil (30) que la llamada de teléfono es una llamada que se efectúa dentro del área predeterminada (100); caracterizado además por que el sistema comprende:

- medios ρβψ detectar la entrada de dicho equipo móvil en la zona predeterminada,

- medios para establecer, como respuesta a dicha detección, una comunicación segura entre equipo móvil y equipo baliza, - medios para autenticación y registro de dicho terminal móvil en la zona predeterminada mediante comprobación de igualdad entre dichas primera y segunda claves de acceso de equipo baliza y equipo ηηόνϋ, respectivamente.

Breve descripción de las figuras

Para comprender mejor las características esenciales de la invención, para sistema de localización o seguimiento en tiempo real de objetos móviles y personas en el interior de túneles, se la describirá de acuerdo a las figuras que forman parte integral de la invención, sin que ello signifique restringirlo a modificaciones obvias que pudiesen surgir, en donde:

La Figura 1 muestra una vista de un diagrama de canalización, distribución de ubicación de tableros RTLS, en un circuito de túneles.

La Figura 2 muestra una vista de un diagrama o de arquitectura funcional del sistema de localización WILOS-RTLS.

La Figura 3 muestra una vista de la implementación general del sistema de comunicación WILOS-RTLS, para el monitoreo, la localización y visualización de los medios móviles.

La Figura 4 muestra una vista de un circuito de túneles con la instalación y distribución del sistema, para el monitoreo, localización o seguimiento en tiempo real de objetos móviles. Descripción de la Invención

De acuerdo a las figuras 1 a 4, el sistema de localización o seguimiento en tiempo real, de personas y objetos móviles en el interior de túneles, la aplicación se enfoca a la utilización en el interior de un túnel dentro de un Loop de acarreo de mineral, tal como se muestra en la figura 1 , en donde existen rutas compartidas que deben ser vigiladas por operador, quien supervisa la señalización vial en el circuito, asistido por sistema automático de semáforos. En este Loop, los camiones toman las distintas rutas y direcciones, debiendo ser coordinados mediante un control de semáforos (manual o automático), y a través de comunicación con un despachador, quien visualiza la localización continúa del seguimiento de los vehículos.

Independiente de una aplicación en particular, el sistema soporta localización desde escenarios abiertos hasta complejos circuitos de túneles con bifurcaciones y distintos niveles, siendo capaz de localizar en tres dimensiones espaciales (X, XY, XYZ).

El sistema de localización en tiempo real (WILOS-RTLS), está conformado por cuatro medios esenciales para realizar localización, un switch ethernet fibra óptica/UP (1 ), unos dispositivos fijos WILOS-RTLS (2), un dispositivo TAG móvil dispuestos en maquinarias y personal (5) y un Software de cálculos de localización (6).

Los dispositivos WI LOS-RTLS (2) reciben una señal inalámbrica interfaz RF (4) correspondiente del dispositivo móvil TAG (5) de posición desconocida, quien emite su señal RF a intermitencia del orden de los mseg. Cuando a los menos dos dispositivos fijos WILOS-RTLS (2) reciben de la señal inalámbrica interfaz RF (4) desde el dispositivo móvil (Tag móvil en maquinaria o persona) (5), estos estiman el tiempo diferencial de arribo de la emisión de Interfaz RF (4) (TDoA), para luego enviar la información estimada, a través de la infraestructura de red cableada mediante un switch Ethernet fibra óptica/UP (1 ) o inalámbrica mediante (interfaz RF entre dispositivos fijos) (3), hacia un software de cálculos de localización (6). De esta forma, la información recibida desde a lo menos de dos dispositivos WILOS-RTLS (2) (una dimensión), o tres (dos dimensiones) o cuatro (tres dimensiones), es procesada en el software (6), para aplicar técnicas matemáticas de lateracion apoyada en la información de TDoA. Finalmente, una vez estimada la posición en dicho software (6), se tiene esta información para ser utilizada en cualquier aplicación que grafique y adapte a una interfaz acorde al escenario de localización.

Dado que, la infraestructura de localización está basada en TCP/IP (UTP, F.O, o Wireless), el sistema WILOS puede ser combinado, mediante sub redes, para distintas formas que adopten cualquiera fuese la geometría del espacio de trabajo.

La implementación completa del sistema WILOS para localización y visualización de posición (Figura N° 3), se constituye desde un computador de visualización (9), servidor de interfaz industrial HMI, OPC, SC5ADA (8), servidor con software de cálculos WILOS RTLS (8), conectados en red TCP/IP Ethernet o Fibra óptica a través de (1 ), o bien Wireless extendida a través de (10), para finalmente llegar a los dispositivos fijos de localización (2) quienes reciben una señal RF desde TAGs para personas (4) o móvil (6a) siendo los objetivos móviles (6a) de posición desconocida a localizar. De esta forma, cualquier variante de distribución de los dispositivos fijos RTLS (2), es soportada para poder adaptarse a cualquiera fuese la geometría del espacio de localización.

Los medios necesarios para la composición del sistema completo son:

1 ) Switches Ethernet Fibra óptica o cableado UTP.

2) Dispositivos Fijos RTLS para recepción de señal RF de localización, y retransmisión de información mediante Ethernet TCP/I P.

3) Interfaz de aire RF para comunicación entre dispositivos (2). 4) Interfaz de aire RF para localización de TAG móvil (5) o (6) desde dispositivos fijos RTLS (2).

5) Dispositivos TAG emisor de RF (4) transportable por personas.

6) Dispositivos TAG emisor de RF (4) transportable por vehículos o cualquier maquinara móvil.

7) Servidor con software para cálculos de localización por información recibida desde (2) y adaptación geométrica a escenario.

8) Servidor con Software Industrial OPC (OLE for Process

Control), HMI (Human Machine Interface) o SCADA

(Supervisory Control And Data Acquisition).

9) Computador Consola de visualización para interfaz gráfica industrial de localización.

10) Router Wireless ton capacidad WDS (Wireless Distribution System) para expansión inalámbrica de red a zonas de difícil acceso o para requerimientos de portabilidad de sistema.

Adaptación a Circuitos de Túneles mediante WILOS.

La compleja geometría de espacio, en un circuito de túneles subterráneos, hace necesario plantear una estrategia que cubra el mayor volumen de trabajo, ante esto, y valiéndose de las cualidades de red del sistema WILOS, se hace la aplicación a túneles mediante el uso de redes distintas de dispositivos, y aproximación de curvaturas mediante tramos lineales entre a lo menos dos dispositivos fijos. La figura N° 4 muestra la estrategia utilizada mediante asignación de dispositivos a dos redes distintas, en donde, (1 ) corresponde a los dispositivos de la red N° 1 , y (2) a los pertenecientes a la red N° 2, la líneas que unen entre sí a los dispositivos, muestra la cobertura que los mismos cubren y aproximan en las distintas zonas y formas del circuito.

Un sistema funcional completo de localización en túneles se conforma de distintas partes desde el hardware y comunicaciones hasta el software de procesamiento e interfaz visual. El esquema siguiente muestra los distintos niveles que combinados resultan en un sistema de localización adaptado a túneles e integrado a plataforma industrial de comunicaciones e interfaz visual.

En la arquitectura mostrada se aprecian las etapas que involucran un sistema RTLS que combinándose con ingeniería y software, es capaz de adaptar la plataforma de localización a una infraestructura de túneles y plataforma de comunicaciones OPC (OLE for Process Control) e interfaz visual de tipo industrial HMI (Human Machine Interface). En este diagrama de niveles, si no existiese el software, n¡ un diseño de ingeniería en la distribución del hardware, no sería posible operar un sistema RTLS en un circuito de túneles, ni menos que esto fuese compatible con plataformas OPC y HMI industriales, es en estas etapas en donde, utilizando medios, diseño en montaje y software se logra obtener un sistema funcional y totalmente funcional a este nuevo escenario de túneles en cualquiera de sus variaciones en cantidad de conexiones y circuitos.

La funcionalidad final del sistema tiene como objetivo obtener la posición de un objeto móvil cómo mínimo a través de la extensión (una dimensión) de algún túnel y pudiendo estos encontrarse y moverse entre cualquiera de ellos, a su vez debe soportar múltiples móviles a la vez en cualquiera de las zonas de detección teniendo una resolución en metros definida por el requerimiento de la aplicación , partiendo desde un metro cómo la mínima exactitud en localización.

Indistintamente de la plataforma de localización RTLS que se utilice, el sistema post procesará la información y la reestructurará convirtiendo localización x,y,z desde RTLS a una posición x,y,z relativa, la cual se adecúa mediante la utilización de parámetros extras a la información de coordenadas de posición dependiendo del túnel donde se encuentra el móvil, esto mediante algoritmos en software que transforman la información genérica de posición en información relativa y adaptada al circuito de túneles. Posterior a la adaptación relativa de posición, esta información se empaqueta en un protocolo para la retransmisión de la misma, para finalmente integrarla a comunicaciones OPC mediante la creación de un algoritmo que comprende el paquete de datos desde el software OPC, transformándolo a esta plataforma en la cual mediante cualquier software HMI compatible se logrará crear una interfaz visual de monitoreo de localización.

En una red de túneles con distintos niveles y bifurcaciones, no se puede considerar un espacio coordenado total de trabajo ya que las dimensiones del terreno y formas no precisas de las excavaciones no permiten modelar de manera exacta un espacio bien definido, por ende, el mejor recurso es tratar a los túneles como espacios de trabajo independientes pero combinables ya que poseen distintas conexiones y accesos entre ellos. Dado que un sist0ma RTLS apunta a utilizarse en espacios de trabajo definidos espacialmente, con obstáculos identificables, es necesario adaptarlos a un espacio de túnel en donde la mayor relevancia en ellos es realizar localización a su extensión, en el caso puntual, en dimensión de la trayectoria del mismo, que generalmente no es lineal, he aquí que localizar en un eje "X" "Y" o "Z no es trivial, pero es factible mediante "Aproximación por tramos lineales" (una curva puede ser aproximada por la unión de múltiples líneas rectas entre distintos puntos de la misma), así como la interconexión entre varios de ellos mediante la combinación de "Múltiples redes de dispositivos", todo esto integrado finalmente por un software con los algoritmos adecuados para procesar este modelo de espacio.

Tomando como esquema general para un circuito de túneles la Figura N° 1 , se gráfica en ésta tres distintas trayectorias continuas de túneles, las que se conectan y combinan con otro en una o varias intersecciones, por esta razón y debido al diseño original de un sistema RTLS para trabajar en un espacio con características rectilíneas y de dimensiones de espacio precisamente medibles y conocidas, la alternativa más simple de lograr utilizar un sistema de localización en este escenario es tratar cada túnel como un espacio de trabajo distinto, para que posteriormente la información obtenida de cada uno sea combinada y post procesada de manera automática y con formato fácilmente trabajable para posterior construcción de una interfaz visual de monitoreo de localización en la red de túneles. De este modo, se diseña una estrategia de distribución de hardware RTLS en forma distribuida como "múltiples redes" de dispositivos en donde cada red se instala en un túnel con trayectoria continua, diferenciando por colores cada túnel continuo y la red de dispositivos asociados al mismo.