Nos últimos anos, os engenheiros têm tentado desenvolver sensores e ferramentas mais eficazes para monitorar ambientes internos. Servindo como base para essas ferramentas, os sistemas de posicionamento interno determinam automaticamente a posição dos objetos com alta precisão e baixa latência, permitindo aplicativos emergentes de Internet das Coisas (IoT), como robôs, direção autônoma, VR / AR, etc.
Uma equipe de pesquisadores criou recentemente o CurveLight, um sistema de posicionamento de luz preciso e eficiente. Sua tecnologia, descrita em um artigo apresentado na Conferência SenSys 2021 da ACM sobre Sistemas Embarcados de Sensores em Rede, poderia ser usada para melhorar o desempenho de veículos autônomos, robôs e outras tecnologias avançadas.
“No CurveLight, o transmissor de sinal inclui um LED infravermelho, coberto por uma sombra hemisférica e giratória”, disse Zhimeng Yin, um dos pesquisadores que desenvolveu o sistema na City University of Hong Kong, ao TechXplore. “O receptor detecta os sinais de luz com um diodo fotossensível. Quando a cortina está girando, o transmissor gera uma sequência única de sinais de luz para cada ponto do espaço coberto.”
Sistemas de posicionamento desenvolvidos recentemente podem detectar a posição de objetos usando lâmpadas LED como pontos de referência (ou seja, analisando suas características únicas relacionadas à luz). Para torná-los mais fáceis de implantar em configurações do mundo real, alguns desenvolvedores não limitaram seu uso a lâmpadas LED, mas, em vez disso, projetaram os sistemas para que coletassem informações específicas da lâmpada e as usassem como uma impressão digital.
Embora alguns desses sistemas tenham alcançado desempenhos promissores, eles geralmente exigem recursos extensivos de detecção e computação. Além disso, para funcionar bem, esses sistemas precisam capturar e analisar imagens continuamente, o que pode ser uma preocupação para a privacidade dos usuários.
“As soluções existentes medem a intensidade da luz recebida, calculam as distâncias do receptor aos transmissores de LED, com base no modelo lambertiano, e ainda adotam o posicionamento multilateral para localização”, disse Yin. “Normalmente, este tipo de método de posicionamento sofre com a imprecisão do modelo, ruídos ambientais e sensibilidade à orientação do receptor.”
Para superar as limitações dos sistemas de posicionamento existentes, alguns pesquisadores sugeriram substituir as lâmpadas LED por outras fontes de luz, como projetores. Em comparação com as lâmpadas LED, no entanto, os projetores podem ser mais difíceis de implantar no mundo real.
“Por exemplo, o SpotLight e o SmartLight exploram projetores para projetar imagens que mudam dinamicamente no espaço. Ao detectar as mudanças nos padrões de luz, o receptor pode calcular sua localização”, disse Yin. “O SmartLight relata um erro de 0,1 m, mas o sistema não é fácil de implantar devido à necessidade de projetores. Além disso, a latência de localização é bastante alta, o que o torna inadequado para aplicativos em tempo real.”
Em vez de usar luz, alguns sistemas de posicionamento utilizam outros sinais sem fio, como wi-fi, UWB, ondas sonoras, sinais geomagnéticos e identificação por radiofrequência (RFID). Os sinais de wi-fi são mais fáceis de acessar em configurações em tempo real, mas quando usados para prever a posição de objetos, geralmente resultam em menor precisão e estabilidade. Por outro lado, os sistemas de posicionamento que usam a tecnologia RFID costumam ser muito precisos, mas podem ser mais caros de implementar.
O novo sistema de posicionamento criado por Yin e seus colegas usa luz para detectar objetos e determinar sua posição. Seus componentes incluem um transmissor baseado em um chip infravermelho (IR), que é fixado no teto, com sua base posicionada horizontalmente.
“O cordão do LED é muito pequeno em tamanho (cerca de 2 mm × 2 mm), então pode ser tratado aproximadamente como uma fonte de luz pontual”, explicou Yin. “Para distinguir os sinais de luz emitidos da luz ambiente, um microcontrolador (MCU) no transmissor permite que o LED pisque em uma determinada taxa.”
O transmissor usado pelos pesquisadores também inclui uma cortina hemisférica que cobre a lâmpada de LED, bem como um motor que permite que a cortina gire em torno da lâmpada a uma taxa fixa. No protótipo inicial do sistema da equipe, a sombra gira a uma taxa de 1200 rotações por minuto (RPM).
“A sombra consiste em dois tipos de regiões: regiões transparentes e regiões translúcidas”, disse Yin. “Quando o LED está ligado, as regiões transparentes permitem que a luz passe e resultem em regiões brilhantes no solo, enquanto as regiões translúcidas absorvem parte da energia da luz e criam regiões cinzas no solo. Quando a cortina gira, a cortina fica a imagem projetada também gira com a mesma velocidade de rotação no solo. Como resultado, o receptor detecta uma sequência de sinais de luz com dois níveis de intensidade para determinar de forma única sua localização.”
O sistema de posicionamento de luz criado por Yin e seus colegas tem inúmeras vantagens sobre outros sistemas criados no passado. Em primeiro lugar, é altamente preciso, com uma precisão média de 2?3 cm em ambientes internos típicos. Em segundo lugar, tem baixa latência, atingindo uma taxa de atualização de 36 Hz usando um único transmissor.
O sistema também é prático e muito fácil de implementar. Como parte de seu estudo, os pesquisadores o avaliaram em uma série de testes e o implementaram em vários ambientes do mundo real, demonstrando seu valor para aprimorar a direção autônoma e a navegação robótica.
“Além das configurações típicas de laboratório, também implantamos nosso sistema em mais de dez ambientes do mundo real, incluindo direção autônoma, robôs industriais em fábricas inteligentes, depósitos, minas, etc.”, disse Yin. “No artigo, relatamos dois casos de uso, nos quais o CurveLight foi aceito como parte fundamental da solução de navegação completa do cliente.”
No futuro, o CurveLight poderá ser usado por um número crescente de roboticistas e desenvolvedores para melhorar o desempenho de robôs, carros autônomos e outros sistemas autônomos. Enquanto isso, Yin e seus colegas continuarão trabalhando em seu sistema e avaliando sua aplicabilidade em outros ambientes.
“Agora planejamos desenvolver sistemas de posicionamento 3D precisos e escaláveis para atender a várias aplicações de IoT”, acrescentou Yin.
Publicado em 19/12/2021 14h29
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