| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| HARDWARE/SOFTWARE ARCHITECTURE FOR A HIGH-RATE OPTICAL POSITIONING SYSTEM | | Autor/a | Moltó Orozco, David | | Departamento | Electrónica | | Director/a | Ureña Ureña, Jesús | | Codirector/a | Aparicio Esteve, Elena | | Fecha de depósito | 05-12-2025 | | Periodo de exposición pública | 5 a 22 de diciembre de 2025 | | Fecha de defensa | Sin especificar | | Programa | Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes (RD 99/2011) | | Mención internacional | Solicitada | | Resumen | Esta tesis doctoral presenta el diseño, implementación y validación de un Sistema de Posicionamiento Óptico (OPS) basado en infrarrojos para operación embebida en tiempo real. El sistema integra codificación eficiente de señales, un diseño analógico dedicado y una arquitectura hardware–software personalizada sobre una plataforma System-on-Chip (SoC), logrando estimaciones precisas y autónomas mediante un fotodiodo cuadrante (QP).
Tras revisar las tecnologías de posicionamiento óptico y los sistemas embebidos, la tesis define objetivos orientados a mejorar la robustez, la precisión y la latencia en entornos exigentes. La solución propuesta emplea códigos Loosely Synchronous (LS) modulados con Binary Phase Shift Keying (BPSK), permitiendo la operación simultánea de múltiples balizas sin sincronización ni multiplexación temporal. Este enfoque elimina interferencias múltiples (MAI) y de símbolo (ISI) dentro de una ventana libre de interferencias, garantizando detección por correlación estable y estimación fiable de razones de potencia.
Se desarrolla un modelo analítico que describe la relación entre las señales ópticas recibidas y la posición y orientación del sensor. A partir de este modelo se derivan algoritmos para estimar coordenadas tridimensionales y alineación angular considerando geometría, desplazamientos y rotaciones. Dichos algoritmos se integran en una cadena de procesamiento en tiempo real basada en FPGA, que realiza demodulación, correlación, detección de picos y cálculo de coordenadas con baja latencia.
El módulo transmisor, implementado en un SoC Xilinx Zynq, controla cuatro emisores LED infrarrojos situados en los bordes del techo en configuración cuadrada. Cada emisor transmite una señal BPSK codificada con un código LS único, almacenada en memorias BRAM y gestionada mediante interfaces AXI4-Lite. El sensor QP genera cuatro fotocorrientes acondicionadas por amplificadores de transimpedancia, etapas de suma–diferencia y un control automático de ganancia (AGC). Tras la digitalización, periféricos sintetizados en C/C++ mediante Vivado HLS realizan la demodulación, correlación, detección y normalización de picos.
Los periféricos se integran en la Lógica Programable del SoC Zynq-7000, mientras que el sistema de procesamiento ARM Cortex-A9 gestiona la configuración, sincronización y estimación de alto nivel. Este reconstruye los puntos de impacto en el sensor QP, calcula el ángulo de rotación (γ) y determina la pose del receptor (x, y, z, γ) mediante la biblioteca Eigen, optimizada para ejecución determinista en tiempo real.
La evaluación experimental confirmó un funcionamiento estable en tiempo real con precisión subcentimétrica en la región lineal, aunque se observaron desviaciones en zonas de borde debido a grandes ángulos de incidencia y pérdida parcial de iluminación, que generan respuestas no lineales.
Para compensar estos efectos y ampliar el área útil, se propone un modelo basado en redes neuronales como alternativa de calibración analítica. Entrenado con datos experimentales, estima la posición sin calibración geométrica explícita. El uso de aumento de datos reduce las orientaciones requeridas y mantiene alta precisión.
Los resultados demuestran que la arquitectura OPS ofrece estimaciones de posición precisas y de alta frecuencia en tiempo real, mientras que el enfoque neuronal mejora la fiabilidad en regiones no lineales. En conjunto, estas contribuciones establecen un marco integral para sistemas ópticos de posicionamiento en interiores que combinan diseño embebido eficiente con métodos de estimación adaptativos. |
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