En navegación , la navegación a estima es el proceso de calcular la posición actual de un objeto en movimiento utilizando una posición determinada previamente, o punto fijo , e incorporando estimaciones de velocidad, rumbo (o dirección o rumbo) y tiempo transcurrido. El término correspondiente en biología, para describir los procesos mediante los cuales los animales actualizan sus estimaciones de posición o rumbo, es integración de trayectorias . Los avances en las ayudas a la navegación que brindan información precisa sobre la posición, en particular la navegación por satélite utilizando el Sistema de Posicionamiento Global , han hecho que la simple navegación a estima por parte de los humanos quede obsoleta para la mayoría de los propósitos. Sin embargo, los sistemas de navegación inercial , que proporcionan información direccional muy precisa, utilizan navegación a estima y se aplican de forma muy amplia.
Contrariamente al mito, el término "cálculo deducido" no se utilizó originalmente para abreviar "cálculo deducido", ni es un error ortográfico del término "cálculo deducido". No se sabe que el uso de "ded" o "calculación deducida" haya aparecido antes de 1931, mucho más tarde en la historia que "dead estima", que apareció ya en 1613 en el Oxford English Dictionary. Generalmente se supone que la intención original de "muerto" en el término significa utilizar un objeto estacionario que está "muerto en el agua" como base para los cálculos. Además, en el momento en que apareció por primera vez "dead estima", "ded" se consideraba un error ortográfico común de "dead". Esto potencialmente condujo a una confusión posterior sobre el origen del término. [1]
Por analogía con su uso en navegación, las palabras navegación a estima también se utilizan para referirse al proceso de estimar el valor de cualquier cantidad variable utilizando un valor anterior y sumando cualquier cambio que haya ocurrido mientras tanto. A menudo, este uso implica que los cambios no se conocen con precisión. El valor anterior y los cambios pueden ser cantidades medidas o calculadas. [ cita necesaria ]
Si bien la navegación a estima puede proporcionar la mejor información disponible sobre la situación actual con pocos cálculos o análisis, está sujeta a importantes errores de aproximación. Para obtener información posicional precisa, tanto la velocidad como la dirección deben conocerse con precisión en todo momento durante el viaje. En particular, la navegación a estima no tiene en cuenta la deriva direccional durante el viaje a través de un medio fluido. Estos errores tienden a agravarse en distancias mayores, lo que hace que la navegación a estima sea un método difícil de navegación para viajes más largos.
Por ejemplo, si el desplazamiento se mide por el número de rotaciones de una rueda, cualquier discrepancia entre la distancia recorrida por rotación real y supuesta, debido quizás a deslizamiento o irregularidades de la superficie, será una fuente de error. Como cada estimación de posición es relativa a la anterior, los errores se acumulan o se agravan con el tiempo.
La precisión de la navegación a estima se puede aumentar significativamente mediante el uso de otros métodos más confiables para obtener una nueva solución a mitad del viaje. Por ejemplo, si uno estuviera navegando en tierra con poca visibilidad, entonces se podría utilizar la navegación a estima para acercarse lo suficiente a la posición conocida de un punto de referencia para poder verlo, antes de caminar hasta el punto de referencia en sí, lo que proporcionaría un punto de partida conocido con precisión. - y luego partir de nuevo.
Localizar un nodo sensor estático no es una tarea difícil porque conectar un dispositivo GPS es suficiente para la localización. Pero un nodo sensor móvil , que cambia continuamente su ubicación geográfica con el tiempo, es difícil de localizar. Se pueden utilizar principalmente nodos sensores móviles dentro de algún dominio particular para la recopilación de datos, es decir , nodos sensores conectados a un animal dentro de un campo de pastoreo o conectados a un soldado en un campo de batalla. En estos escenarios no se puede permitir un dispositivo GPS para cada nodo sensor. Algunas de las razones de esto incluyen el costo, el tamaño y el consumo de batería de los nodos de sensores restringidos. Para superar este problema se emplea un número limitado de nodos de referencia (con GPS) dentro de un campo. Estos nodos transmiten continuamente sus ubicaciones y otros nodos cercanos reciben estas ubicaciones y calculan su posición utilizando alguna técnica matemática como la trilateración . Para la localización, se necesitan al menos tres ubicaciones de referencia conocidas. En la literatura se han propuesto varios algoritmos de localización basados en el método Sequential Monte Carlo (SMC). [2] [3] A veces, un nodo en algunos lugares recibe solo dos ubicaciones conocidas y, por lo tanto, resulta imposible localizarlo. Para superar este problema, se utiliza la técnica de navegación a estima. Con esta técnica, un nodo sensor utiliza su ubicación calculada previamente para localizarla en intervalos de tiempo posteriores. [4] Por ejemplo, en el instante 1, si el nodo A calcula su posición como loca_1 con la ayuda de tres ubicaciones de referencia conocidas; luego, en el instante 2, utiliza loca_1 junto con otras dos ubicaciones de referencia recibidas de otros dos nodos de referencia. Esto no sólo localiza un nodo en menos tiempo sino que también localiza en posiciones donde es difícil conseguir tres ubicaciones de referencia. [5]
En los estudios de navegación animal , la navegación a estima se conoce más comúnmente (aunque no exclusivamente) como integración de rutas . Los animales lo utilizan para estimar su ubicación actual en función de sus movimientos desde su última ubicación conocida. Se ha demostrado que animales como hormigas, roedores y gansos rastrean continuamente su ubicación en relación con un punto de partida y regresan a él, una habilidad importante para los recolectores con un hogar fijo. [6] [7]
En la navegación marítima un complot "muerto" generalmente no tiene en cuenta el efecto de las corrientes o el viento . A bordo de un barco, un diagrama de navegación a estima se considera importante para evaluar la información de posición y planificar el movimiento del barco. [8]
La navegación a estima comienza con una posición conocida, o punto fijo , que luego se avanza, matemáticamente o directamente en la carta, mediante el rumbo, la velocidad y el tiempo registrados. La velocidad se puede determinar mediante muchos métodos. Antes de la instrumentación moderna, se determinaba a bordo del barco mediante un registro de chips . Los métodos más modernos incluyen registros de pozo que hacen referencia a la velocidad del motor ( por ejemplo , en rpm ) con una tabla de desplazamiento total (para barcos) o hacen referencia a la velocidad del aire indicada alimentada por la presión de un tubo Pitot . Esta medición se convierte a una velocidad aérea equivalente basada en condiciones atmosféricas conocidas y errores medidos en el sistema de velocidad aérea indicado. Un buque de guerra utiliza un dispositivo llamado espada de pozo (medidor de varilla), que utiliza dos sensores en una varilla de metal para medir la variación electromagnética causada por el movimiento del barco en el agua. Este cambio luego se convierte a la velocidad del barco. La distancia se determina multiplicando la velocidad y el tiempo. Esta posición inicial luego se puede ajustar dando como resultado una posición estimada teniendo en cuenta la corriente (conocida como ajuste y deriva en la navegación marina). Si no hay información de posición disponible, un nuevo complot de navegación a estima puede comenzar desde una posición estimada. En este caso, las posiciones posteriores a estima habrán tenido en cuenta el calado y la deriva estimados.
Las posiciones a estima se calculan a intervalos predeterminados y se mantienen entre arreglos. La duración del intervalo varía. Los factores que incluyen la velocidad alcanzada y la naturaleza del rumbo y otros cambios de rumbo, y el juicio del navegante determinan cuándo se calculan las posiciones a estima.
Antes del desarrollo del cronómetro marino en el siglo XVIII por John Harrison y el método de la distancia lunar , la navegación a estima era el método principal para determinar la longitud disponible para marineros como Cristóbal Colón y John Cabot en sus viajes transatlánticos. Se desarrollaron herramientas como el tablero transversal para permitir que incluso los miembros de la tripulación analfabetos recopilaran los datos necesarios para la navegación a estima. La navegación polinesia , sin embargo, utiliza diferentes técnicas de orientación .
El 14 de junio de 1919, John Alcock y Arthur Brown despegaron de Lester's Field en St. John's , Terranova, en un Vickers Vimy . Navegaron a través del Océano Atlántico a estima y aterrizaron en el condado de Galway , Irlanda, a las 8:40 am del 15 de junio, completando el primer vuelo transatlántico sin escalas .
El 21 de mayo de 1927, Charles Lindbergh aterrizó en París, Francia, después de un exitoso vuelo sin escalas desde los Estados Unidos en el monomotor Spirit of St. Louis . Como el avión estaba equipado con instrumentos muy básicos, Lindbergh utilizó la navegación a estima para navegar.
La navegación a estima en el aire es similar a la navegación a estima en el mar, pero un poco más complicada. La densidad del aire por el que se mueve el avión afecta su rendimiento, así como los vientos, el peso y la configuración de potencia.
La fórmula básica para DR es Distancia = Velocidad x Tiempo. Un avión que vuela a 250 nudos de velocidad durante 2 horas ha recorrido 500 millas náuticas en el aire. El triángulo del viento se utiliza para calcular los efectos del viento sobre el rumbo y la velocidad del aire para obtener un rumbo magnético para gobernar y la velocidad sobre el suelo (velocidad terrestre). Se utilizan tablas impresas, fórmulas o una computadora de vuelo E6B para calcular los efectos de la densidad del aire en la velocidad de ascenso de la aeronave, la tasa de consumo de combustible y la velocidad del aire. [9]
Se dibuja una línea de rumbo en la carta aeronáutica junto con las posiciones estimadas a intervalos fijos (por ejemplo, cada media hora). Se utilizan observaciones visuales de las características del terreno para obtener correcciones. Al comparar la posición fija y la posición estimada, se realizan correcciones al rumbo y la velocidad respecto al suelo de la aeronave.
La navegación a estima está en el plan de estudios de los pilotos VFR (reglas de vuelo visual, o nivel básico) de todo el mundo. [10] Se imparte independientemente de si la aeronave cuenta con ayudas a la navegación como GPS, ADF y VOR y es un Requisito de la OACI . Muchas escuelas de entrenamiento de vuelo impedirán que un estudiante utilice ayudas electrónicas hasta que domine la navegación a estima.
Los sistemas de navegación inercial (INS), que son casi universales en aviones más avanzados, utilizan la navegación a estima internamente. El INS proporciona una capacidad de navegación confiable en prácticamente cualquier condición, sin necesidad de referencias de navegación externas, aunque todavía es propenso a errores leves.
La navegación a estima se implementa hoy en algunos sistemas de navegación automotriz de alta gama para superar las limitaciones de la tecnología GPS / GNSS por sí sola. Las señales de microondas de los satélites no están disponibles en los aparcamientos y túneles y, a menudo, están gravemente degradadas en los cañones urbanos y cerca de los árboles debido a las líneas de visión bloqueadas de los satélites o a la propagación por trayectos múltiples . En un sistema de navegación a estima, el automóvil está equipado con sensores que conocen la circunferencia de las ruedas y registran las rotaciones de las ruedas y la dirección de la dirección. Estos sensores suelen estar presentes en los automóviles para otros fines ( sistema antibloqueo de frenos , control electrónico de estabilidad ) y pueden ser leídos por el sistema de navegación desde el bus de la red del área de control . Luego, el sistema de navegación utiliza un filtro de Kalman para integrar los datos del sensor siempre disponibles con la información de posición precisa, pero ocasionalmente no disponible, de los datos del satélite en una solución de posición combinada.
La navegación a estima se utiliza en algunas aplicaciones robóticas. [11] Generalmente se utiliza para reducir la necesidad de tecnología de detección, como sensores ultrasónicos , GPS o la colocación de algunos codificadores lineales y rotativos , en un robot autónomo , reduciendo así en gran medida el costo y la complejidad a expensas del rendimiento y la repetibilidad. La utilización adecuada de la navegación a estima en este sentido sería suministrar un porcentaje conocido de energía eléctrica o presión hidráulica a los motores de accionamiento del robot durante un período de tiempo determinado desde un punto de partida general. La navegación a estima no es totalmente precisa, lo que puede dar lugar a errores en las estimaciones de distancia que van desde unos pocos milímetros (en el mecanizado CNC ) hasta kilómetros (en los UAV ), según la duración de la carrera, la velocidad del robot, la longitud del ejecutar y varios otros factores. [ cita necesaria ]
Con la mayor oferta de sensores en los teléfonos inteligentes , los acelerómetros integrados se pueden utilizar como podómetro y el magnetómetro integrado como proveedor de rumbo de la brújula. La navegación a estima para peatones ( PDR ) se puede utilizar para complementar otros métodos de navegación de manera similar a la navegación automotriz, o para extender la navegación a áreas donde otros sistemas de navegación no están disponibles. [12]
En una implementación simple, el usuario sostiene su teléfono frente a él y cada paso hace que la posición avance una distancia fija en la dirección medida por la brújula. La precisión está limitada por la precisión del sensor, las perturbaciones magnéticas dentro de las estructuras y variables desconocidas como la posición de transporte y la longitud de la zancada. Otro desafío es diferenciar caminar de correr y reconocer movimientos como andar en bicicleta, subir escaleras o viajar en ascensor.
Antes de que existieran los sistemas telefónicos, existían muchos sistemas PDR personalizados. Mientras que un podómetro sólo se puede utilizar para medir la distancia lineal recorrida, los sistemas PDR tienen un magnetómetro integrado para medir el rumbo. Los sistemas PDR personalizados pueden adoptar muchas formas, incluidas botas, cinturones y relojes especiales, donde la variabilidad de la posición de transporte se ha minimizado para utilizar mejor el rumbo del magnetómetro. La verdadera navegación a estima es bastante complicada, ya que no sólo es importante minimizar la deriva básica, sino también manejar diferentes escenarios de transporte y movimientos, así como diferencias de hardware entre modelos de teléfono. [13]
El carro que apuntaba al sur era un antiguo dispositivo chino que consistía en un vehículo de dos ruedas tirado por caballos que llevaba un puntero que apuntaba siempre hacia el sur, sin importar cómo girara el carro. El carro era anterior al uso de la brújula magnética para la navegación y no podía detectar la dirección sur. En su lugar, utilizó una especie de navegación a estima direccional : al comienzo de un viaje, el puntero apuntaba hacia el sur con la mano, utilizando conocimientos locales u observaciones astronómicas, por ejemplo de la Estrella Polar . Luego, mientras viajaba, un mecanismo que posiblemente contenía engranajes diferenciales utilizó las diferentes velocidades de rotación de las dos ruedas para girar el puntero en relación con el cuerpo del carro según el ángulo de giro realizado (sujeto a la precisión mecánica disponible), manteniendo el puntero apuntando. en su dirección original, hacia el sur. Los errores, como siempre ocurre con la navegación a estima, se acumularían a medida que aumentara la distancia recorrida.
Los juegos en red y las herramientas de simulación utilizan habitualmente la navegación a estima para predecir dónde debería estar un actor en este momento, utilizando su último estado cinemático conocido (posición, velocidad, aceleración, orientación y velocidad angular). [14] Esto es principalmente necesario porque no es práctico enviar actualizaciones de red a la velocidad a la que se ejecutan la mayoría de los juegos, 60 Hz. La solución básica comienza proyectando hacia el futuro usando física lineal: [15]
Esta fórmula se utiliza para mover el objeto hasta que se reciba una nueva actualización a través de la red. En ese punto, el problema es que ahora hay dos estados cinemáticos: la posición estimada actualmente y la posición real recién recibida. Resolver estos dos estados de una manera creíble puede resultar bastante complejo. Un enfoque es crear una curva (por ejemplo, splines cúbicas de Bézier , splines centrípetas de Catmull-Rom y curvas de Hermite ) [16] entre los dos estados sin dejar de proyectarse hacia el futuro. Otra técnica es utilizar la combinación de velocidades proyectivas, que es la combinación de dos proyecciones (la última conocida y la actual) donde la proyección actual utiliza una combinación entre la última velocidad conocida y la actual durante un tiempo determinado. [14]
La primera ecuación calcula una velocidad combinada dada la velocidad del lado del cliente en el momento de la última actualización del servidor y la última velocidad conocida del lado del servidor . Básicamente, esto combina la velocidad del lado del cliente con la velocidad del lado del servidor para una transición sin problemas. Tenga en cuenta que debe ir de cero (en el momento de la actualización del servidor) a uno (en el momento en que debería llegar la próxima actualización). Una actualización tardía del servidor no supone ningún problema siempre que permanezca en una.
A continuación, se calculan dos posiciones: en primer lugar, se utilizan para calcular la velocidad combinada y la última aceleración conocida del lado del servidor . Esta es una posición que se proyecta desde la posición inicial del lado del cliente en función del tiempo transcurrido desde la última actualización del servidor. En segundo lugar, se utiliza la misma ecuación con los últimos parámetros conocidos del lado del servidor para calcular la posición proyectada a partir de la última posición y velocidad conocidas del lado del servidor , lo que da como resultado .
Finalmente, la nueva posición a mostrar en el cliente es el resultado de interpolar desde la posición proyectada basada en la información del cliente hacia la posición proyectada basada en la última información conocida del servidor . El movimiento resultante resuelve suavemente la discrepancia entre la información del lado del cliente y del lado del servidor, incluso si esta información del lado del servidor llega con poca frecuencia o de manera inconsistente. También está libre de oscilaciones que puede sufrir la interpolación basada en splines.
En informática, la navegación a estima se refiere a navegar por una estructura de datos de matriz utilizando índices. Dado que cada elemento de la matriz tiene el mismo tamaño, es posible acceder directamente a un elemento de la matriz conociendo cualquier posición en la matriz. [17]
Dada la siguiente matriz:
Conociendo la dirección de memoria donde comienza la matriz, es fácil calcular la dirección de memoria de D:
Asimismo, conociendo la dirección de memoria de D, es fácil calcular la dirección de memoria de B:
Esta propiedad es particularmente importante para el rendimiento cuando se usa junto con matrices de estructuras porque se puede acceder a los datos directamente, sin pasar por una desreferencia del puntero .
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