Sistemas de geolocalización en interiores

por José M. Llamas | Sep 29, 2016 | Blog CARTIF, Construcción y Patrimonio

Con los sistemas de posicionamiento global ha ocurrido un fenómeno similar a lo que ha pasado con los teléfonos móviles: en unos años hemos pasado de no que no existieran a considerarlos imprescindibles. Lo cierto es que, de hecho, la geolocalización es una de esas tecnologías que ha propiciado el desarrollo de multitud de aplicaciones y en muchos ámbitos ya no se concibe poder trabajar sin el uso del comúnmente llamado GPS.

Este tipo de sistemas de posicionamiento se basa en recibir la señal de tres o más satélites por medio de la trilateración inversa: determinando la distancia a cada uno de los satélites se obtiene la posición en coordenadas absolutas (normalmente WGS84).

Los sistemas de posicionamiento global basados en satélites tienen su origen en los años 60, en el sistema norteamericano TRANSIT. Con este sistema se podía conseguir fijar la posición una vez cada hora (en el mejor de los casos) con una precisión de unos 400 metros. A este sistema le siguió el Timation y en el año 1973 comenzó el proyecto Navstar (ambos norteamericanos). El primer satélite de este proyecto se lanzó en febrero de 1978 hasta completar la constelación actual, a la que se declaró con plena capacidad operacional en abril de 1995. Este sistema Navstar-GPS es el origen del nombre genérico GPS que solemos aplicar a todos los sistemas de navegación global. En 1982 la antigua Unión Soviética lanzó los primeros satélites de un sistema similar llamado GLONASS que comenzó a estar operativo en 1996. Por su parte, la República Popular China lanzó en el año 2000 el primer satélite de su sistema de navegación BeiDou, que está previsto que esté plenamente operativo en el 2020. Por último, en 2003, comenzó el desarrollo del sistema de posicionamiento de la Unión Europea denominado Galileo, con un primer lanzamiento en el 2011. Actualmente cuenta con 12 satélites en activo (y 2 en pruebas) y está previsto el lanzamiento simultáneo de otros cuatro el próximo 17 de noviembre. De esta forma, habría 18 satélites en órbita y el servicio inicial del sistema de posicionamiento Galileo podría comenzar a finales de 2016. Se espera que esté totalmente operativo en el año 2020. Hay que decir que también existen otros sistemas, a nivel regional, complementarios a los ya comentados, en India y Japón.

Como se puede comprobar, los sistemas de posicionamiento global están plenamente extendidos y son ampliamente utilizados tanto a nivel militar y comercial (transporte de personas y mercancías, agricultura de precisión, topografía, estudios del medio ambiente, operaciones de rescate…) como a nivel personal (casi todo el mundo tiene un móvil con GPS disponible, aunque otra cosa es que siempre se les acabe la batería en el momento más inoportuno).

Respecto a la precisión obtenida con los equipos de geolocalización actuales, es del orden de unos pocos metros (e incluso algo mejor con el sistema Galileo) y se puede llegar a precisión centimétrica usando dispositivos multifrecuencia y aplicando correcciones diferenciales.

Uno de los problemas de estos sistemas es que no funcionan correctamente en interiores ya que la señal de los satélites no se puede recibir bien dentro de los edificios (aunque ya existen equipos de alta sensibilidad que reducen este problema y otros dispositivos llamados pseudolites, que actúan simulando la señal GPS en interiores). Y como ya no nos basta con conocer nuestra posición exacta en exteriores, ahora surge la necesidad de conocer el posicionamiento también en los interiores de grandes edificios e infraestructuras (aeropuertos, edificios administrativos, centros comerciales…).

Por tanto, han aparecido sistemas de posicionamiento en interiores (IPS) que permiten la localización dentro de espacios cerrados. A diferencia de los sistemas de posicionamiento globales, en este caso existen muchas tecnologías diferentes que además no suelen ser compatibles entre sí, lo que dificulta su difusión y adopción por parte del público general. Ya existen soluciones muy fiables y precisas en entornos empresariales, pero estos desarrollos son específicos y difícilmente trasladables a un uso genérico de localización de personas en interiores. En este tipo de contexto profesional, CARTIF ha realizado varios proyectos de posicionamiento en interiores para movimiento autónomo de mercancías y robótica de servicios. No existe en la actualidad un sistema estándar de posicionamiento en interiores pero hay muchas tecnologías compitiendo por un lugar predominante.

Las tecnologías utilizadas se pueden diferenciar en la necesidad o no de una infraestructura de comunicaciones. Aquellas que no necesitan de infraestructura existente se suelen basar en el uso de sensores habitualmente disponibles en un teléfono móvil inteligente (smartphone): variaciones del campo magnético en el interior del edificio que son detectadas por los magnetómetros, medición de los movimientos realizados en el recinto empleando los acelerómetros o identificando ciertos elementos característicos (como códigos QR) usando la cámara. En todos estos casos la precisión alcanzada no es muy alta pero podría ser de utilidad en ciertas aplicaciones sencillas como orientarse en un gran edificio.

Los sistemas de posicionamiento en interiores que usan infraestructura de comunicaciones emplean casi todas las tecnologías disponibles de este tipo para obtener la localización: WiFi, Bluetooth, RFID, infrarrojos, NFC, ZigBee, banda ultra ancha, luz visible, antenas de telefonía (2G/3G/4G), ultrasonidos…

Con estos sistemas se determina la posición, normalmente por triangulación, calculando la distancia a los dispositivos fijos de referencia (usando la intensidad de la señal recibida, señales codificadas o por medición directa de dicha distancia). Así, se puede llegar a alcanzar mayores precisiones que en los tres casos anteriores. También existen nuevos desarrollos que combinan varias de las tecnologías mencionadas para conseguir mejorar la precisión y disponibilidad del posicionamiento.

Aunque, como se ha dicho no hay un estándar, se está extendiendo el uso de nodos basados en bluetooth de bajo consumo (BLE). Ejemplos de estos sistemas son el Eddystone de Google y los iBeacons de Apple.

Lógicamente, como en el caso de posicionamiento en exteriores, además de conocer la posición hay que disponer del correspondiente mapa del entorno que permita la navegación. Existen también otros sistemas, llamados SLAM, que van generando mapas del entorno (que puede ser conocido o no) según se van moviendo, muy usados en robots y vehículos autónomos. Un ejemplo reciente es el proyecto Tango (también de Google) que permite generar modelos 3D del entorno utilizando dispositivos móviles (smartphones o tablets).

Como se ha visto, cada vez estamos más cerca de poder estar localizados en cualquier lugar, lo cual puede resultar muy útil pero también nos puede hacer excesivamente dependientes de estos sistema (cada vez se pregunta menos en la calle cómo llegar a un sitio) a la vez que se incrementan los consabidos problemas de privacidad asociados a estos temas. Así que, aunque gracias a estos avances cada vez sea menos necesario el sentido de la orientación, lo que no hay que perder nunca es el sentido común.

El futuro de la construcción se imprime en 3D

por José M. Llamas | Mar 31, 2016 | Blog CARTIF, Construcción y Patrimonio

La impresión 3D ha llegado para quedarse. Cuando una nueva tecnología está tan extendida que ya no llama la atención, es que su implantación es definitiva. Cada vez más gente tiene una impresora 3D de plástico en su casa y seguro que muchos conocemos a alguien que ha comprado una o se la ha construido por piezas. Era sólo cuestión de tiempo que esta tecnología diese el salto a otros ámbitos. Aunque el sector de la construcción suele adoptar este tipo de novedades tecnológicas con cierto retraso, en este caso ya hay varios proyectos tratando de llevar la fabricación aditiva (como también se conoce a la impresión 3D) a la construcción.

Lo que se busca, entre otras cosas, es poder afrontar los nuevos diseños arquitectónicos que son cada vez más complejos, industrializar ciertos procesos de construcción que ahora son casi artesanales y mejorar la sostenibilidad utilizando materiales reciclados para imprimir.

Este tipo de sistemas plantean grandes retos como el desarrollo de nuevos materiales de construcción que permitan su adecuada aplicación. Normalmente se recurre a la incorporación de otros materiales o compuestos que mejoren las propiedades (que consigan las propiedades buscadas) tanto en tiempos de fraguado como en resistencia y aislamiento.

Uno de los primeros proyectos referido a la fabricación aditiva en la construcción es el llamado “Contour crafting”, liderado por el Dr. Behrokh Khoshnevis de la Universidad del Sur de California. Y actualmente existen multitud de centros de investigación y universidades centradas en estos temas como el AMRG de la Universidad de Loughborough -considerado referencia mundial- o el IAAC en España.

También han aparecido desarrollos comerciales como el de una empresa china que fabrica casas, oficinas y edificios completos usando estas técnicas. El caso concreto de esta empresa parece que responde a estrategias de marketing (que no les está funcionando mal), puesto que posicionarse bien en estas tecnologías puede abrir importantes mercados.

En cualquier caso, existen muchas iniciativas interesantes como el WASP, un proyecto italiano para construcciones sostenibles en áreas desfavorecidas, la construcción de un puente de acero en Ámsterdam, o el concurso promovido en 2015 por la NASA para la construcción de edificaciones en la Luna o Marte utilizando estas técnicas, cuyo ganador propone utilizar el hielo como materia prima.

A la vista de estos desarrollos, es fácil comprobar que la fabricación aditiva en construcción ofrece algunas ventajas difícilmente igualables con otros métodos como la complejidad en los diseños que se pueden obtener o la precisión y repetibilidad de ciertos procedimientos constructivos. Y es innegable que la industrialización cada vez se integra más en muchos procesos constructivos y la impresión 3D seguro que tendrá su nicho de mercado en el sector de la construcción.

Como siempre ocurre con las nuevas tecnologías, hay ciertos sectores optimistas que opinan que la fabricación aditiva será el sistema mayoritario usado en todas las industrias. Pero, hoy por hoy, no existen tecnologías de fabricación universales más allá de ciertos métodos como la producción en cadena. Los procesos de fabricación actuales están muy especializados y se recurre a las tecnologías más adecuadas para cada caso, por lo que parece complicado que una sola sea capaz de reemplazar a casi todas las existentes. Por lo tanto y siendo realista, hay que encontrar el campo de aplicación más adecuado para la impresión 3D en la construcción.

En este sentido, CARTIF participa en un gran proyecto nacional de investigación de la impresión 3D en la construcción que se centra en la aplicación de las tecnologías de impresión 3D en la construcción en aquellos campos donde se considera que puede ser de especial utilidad: la fabricación de prefabricados y la rehabilitación de fachadas.

No se busca obtener una tecnología universal que sirva en todos los ámbitos de la construcción, sino llegar al mercado con un producto que ofrezca una alternativa viable a otras tecnologías existentes (es decir: aplicaciones realistas y sostenibles). Y siempre sin olvidar que todos los avances alcanzados en este campo (sean por I+D o por estrategias de marketing) repercutirán en el futuro en beneficio de toda la sociedad ya que lo que lo que se busca es construir mejor, más rápido, más barato y de forma más sostenible.