Estimación muerta - Dead reckoning

El navegante traza su posición a las 9 a.m., indicada por el triángulo, y, utilizando su rumbo y velocidad, estima su propia posición a las 9:30 y las 10 a.m.

En la navegación , la navegación a estima es el proceso de calcular la posición actual de algún objeto en movimiento utilizando una posición o punto fijo previamente determinado , y luego incorporando estimaciones de velocidad, dirección de rumbo y rumbo durante el tiempo transcurrido. El término correspondiente en biología, que se utiliza para describir los procesos mediante los cuales los animales actualizan sus estimaciones de posición o rumbo, es integración de ruta .

La deriva es el ángulo entre el rumbo del avión y la trayectoria deseada. A es la última posición conocida (fija, generalmente se muestra con un círculo). B es la posición aérea (generalmente se muestra con un signo más). C es la posición DR (generalmente se muestra con un triángulo).

La navegación a estima está sujeta a errores acumulativos. 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 navegación a estima sea obsoleta para la mayoría de los propósitos. Sin embargo, los sistemas de navegación inercial , que proporcionan información direccional muy precisa, utilizan la navegación a estima y se aplican muy ampliamente.

Etimología

El término "estimación a estima" no se usó originalmente para abreviar "estimación deducida", ni es un error ortográfico del término "estimación de cuentas". No se sabe que el uso de "ded" o "cálculo deducido" haya aparecido antes de 1931, mucho más tarde en la historia que el "cálculo muerto" que apareció ya en 1613 en el Oxford English Dictionary. Sin embargo, la intención original de "muerto" en el término no está clara. No se sabe si se usa para transmitir "absoluto" como en "adelante", calculando usando otros objetos que están "muertos en el agua" o usando correctamente el cálculo de cuentas "estás muerto si no calculas bien". .

Por analogía con su uso en la 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 los cambios que se hayan producido mientras tanto. A menudo, este uso implica que los cambios no se conocen con precisión. El valor anterior y los cambios pueden medirse o calcularse cantidades.

Errores

Si bien la navegación a estima puede brindar la mejor información disponible sobre el puesto actual con poca matemática o análisis, está sujeta a importantes errores de aproximación. Para obtener información de posición 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 por estima sea un método de navegación difícil 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 real y supuesta por rotación, debido quizás al deslizamiento o irregularidades de la superficie, será una fuente de error. Como cada estimación de posición es relativa a la anterior, los errores son acumulativos o compuestos a lo largo del 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 estaba navegando en tierra con poca visibilidad, entonces se podría usar 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 proporciona un punto de partida conocido con precisión. - y luego partimos de nuevo.

Localización de nodos de sensores móviles

La localización de un nodo de sensor estático no es una tarea difícil porque conectar un dispositivo GPS basta para la necesidad de localización. Pero un nodo de sensor móvil , que cambia continuamente su ubicación geográfica con el tiempo, es difícil de localizar. La mayoría de los nodos sensores móviles dentro de algún dominio particular para la recopilación de datos se pueden usar, es decir , un nodo sensor conectado a un animal dentro de un campo de pastoreo o conectado 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 la 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 en las proximidades 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 para localizar. En la literatura se han propuesto varios algoritmos de localización basados ​​en el método Sequential Monte Carlo (SMC). A veces, un nodo en algunos lugares recibe solo dos ubicaciones conocidas y, por lo tanto, se vuelve imposible de localizar. Para superar este problema, se utiliza la técnica de navegación a estima. Con esta técnica, un nodo sensor utiliza su ubicación calculada previamente para la localización en intervalos de tiempo posteriores. Por ejemplo, en el instante de tiempo 1 si el nodo A calcula su posición como loca_1 con la ayuda de tres ubicaciones de referencia conocidas; luego, en el instante de tiempo 2, usa loca_1 junto con otras dos ubicaciones de referencia recibidas de otros dos nodos de referencia. Esto no solo localiza un nodo en menos tiempo, sino que también se localiza en posiciones donde es difícil obtener tres ubicaciones de referencia.

Navegación animal

En los estudios de navegación animal , la navegación a estima se conoce más comúnmente (aunque no exclusivamente) como integración de caminos . Los animales lo usan 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 siguen su ubicación continuamente en relación con un punto de partida y regresan a él, una habilidad importante para los recolectores de alimentos con un hogar fijo.

Navegación marina

Herramientas de navegación a estima en la navegación costera

En la navegación marítima, una trama de navegación a estima "muerta" generalmente no tiene en cuenta el efecto de las corrientes o el viento . A bordo de un barco, una parcela de navegación a estima se considera importante para evaluar la información de posición y planificar el movimiento del barco.

La navegación a estima comienza con una posición conocida, o fijo , que luego se avanza, matemáticamente o directamente en la carta, por medio del rumbo, la velocidad y el tiempo registrados. La velocidad se puede determinar mediante muchos métodos. Antes de la instrumentación moderna, se determinaba a bordo de un barco utilizando un registro de chips . Los métodos más modernos incluyen el registro de boxes que hace referencia a la velocidad del motor ( por ejemplo, en rpm ) frente a una tabla de desplazamiento total (para barcos) o al hacer referencia a la velocidad aerodinámica indicada de uno alimentada por la presión de un tubo de Pitot . Esta medida se convierte a una velocidad aerodinámica equivalente basada en condiciones atmosféricas conocidas y errores medidos en el sistema de velocidad aerodinámica indicado. Un buque de guerra utiliza un dispositivo llamado espada de foso (medidor de varilla), que usa dos sensores en una barra de metal para medir la variación electromagnética causada por el movimiento del barco a través del agua. Este cambio luego se convierte a la velocidad del barco. La distancia se determina multiplicando la velocidad y el tiempo. Luego, esta posición inicial puede ajustarse dando como resultado una posición estimada teniendo en cuenta la corriente (conocida como conjunto y deriva en la navegación marítima). Si no hay información posicional disponible, una nueva gráfica de navegación a estima puede comenzar desde una posición estimada. En este caso, las posiciones de navegación a estima posteriores habrán tenido en cuenta la deriva y la deriva estimadas.

Las posiciones de navegación a estima se calculan a intervalos predeterminados y se mantienen entre los puntos de referencia. La duración del intervalo varía. Factores que incluyen la velocidad mejorada 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 por John Harrison en el siglo XVIII y el método de la distancia lunar , la navegación a estima era el método principal para determinar la longitud disponible para navegantes como Cristóbal Colón y John Cabot en sus viajes transatlánticos. Se desarrollaron herramientas como el tablero transversal para permitir que incluso los miembros analfabetos de la tripulación recopilaran los datos necesarios para la navegación a estima. La navegación polinesia , sin embargo, utiliza diferentes técnicas de orientación .

Navegación aérea

Brújula magnética británica P10 con herramientas de navegación a estima

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 Spirit of St. Louis monomotor . 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 la aeronave 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 volaba a 250 nudos de velocidad aérea durante 2 horas ha volado 500 millas náuticas por el aire. El triángulo del viento se utiliza para calcular los efectos del viento en el rumbo y la velocidad aerodinámica para obtener un rumbo magnético para dirigir 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 tasa de ascenso de la aeronave, la tasa de consumo de combustible y la velocidad del aire.

Se traza una línea de rumbo en la carta aeronáutica junto con las posiciones estimadas a intervalos fijos (por ejemplo, cada ½ hora). Las observaciones visuales de las características del terreno se utilizan para obtener arreglos. Al comparar el punto fijo y la posición estimada, se realizan correcciones al rumbo y la velocidad de la aeronave.

La estimación está en el plan de estudios de los pilotos VFR (reglas de vuelo visual o nivel básico) de todo el mundo. Se enseña independientemente de si la aeronave tiene ayudas a la navegación como GPS, ADF y VOR y es un requisito de la OACI . Muchas escuelas de entrenamiento de vuelo evitarán que un estudiante use ayudas electrónicas hasta que haya dominado la navegación a estima.

Los sistemas de navegación inercial (INS), que son casi universales en aeronaves más avanzadas, utilizan la navegación a estima internamente. El INS proporciona una capacidad de navegación confiable en prácticamente cualquier condición, sin la necesidad de referencias de navegación externas, aunque todavía es propenso a errores leves.

Navegación automotriz

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 estacionamientos y túneles y, a menudo, se degradan severamente en los cañones urbanos y cerca de los árboles debido a las líneas de visión bloqueadas hacia los satélites o 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 a menudo ya están presentes en los automóviles para otros fines ( sistema de frenos antibloqueo , control electrónico de estabilidad ) y el sistema de navegación puede leerlos desde el bus de red del área del controlador . Luego, el sistema de navegación usa un filtro 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 posición combinada.

Navegación autónoma en robótica

La navegación a estima se utiliza en algunas aplicaciones robóticas. Por lo general, se usa 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 , lo que reduce 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 potencia 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 mecanizado CNC ) a kilómetros (en UAV ), según la duración de la carrera, la velocidad del robot, la longitud del ejecutar, y varios otros factores.

Estimación de peatones (PDR)

Con la mayor oferta de sensores en los teléfonos inteligentes , los acelerómetros integrados se pueden usar como podómetro y 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.

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 las variables desconocidas como la posición de carga y la longitud de la zancada. Otro desafío es diferenciar caminar de correr y reconocer movimientos como andar en bicicleta, subir escaleras o subir en ascensor.

Antes de que existieran los sistemas basados ​​en teléfonos, existían muchos sistemas PDR personalizados. Si bien un podómetro solo se puede usar para medir la distancia lineal recorrida, los sistemas PDR tienen un magnetómetro integrado para medir el rumbo. Los sistemas PDR personalizados pueden tomar 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 estimación es bastante complicada, ya que no solo es importante minimizar la deriva básica, sino también manejar diferentes escenarios y movimientos de transporte, así como las diferencias de hardware entre los modelos de teléfono.

Estimación direccional

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 siempre tenía la intención de apuntar hacia el sur, sin importar cómo girara el carro. El carro era anterior al uso de navegación de la brújula magnética y no pudo detectar la dirección que estaba al sur. En su lugar, utilizó una especie de navegación a estima direccional : al comienzo de un viaje, el puntero se apuntó 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 con respecto al cuerpo del carro en el ángulo de giros realizados (sujeto a la precisión mecánica disponible), manteniendo el puntero apuntando. en su dirección original, al sur. Los errores, como siempre ocurre con la navegación a estima, se acumulan a medida que aumenta la distancia recorrida.

Para juegos en red

Los juegos en red y las herramientas de simulación utilizan rutinariamente 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). 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 utilizando la física lineal:

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 ser bastante complejo. Un enfoque consiste en crear una curva (p. Ej., Splines de Bézier cúbicos , splines centrípetos de Catmull-Rom y curvas de Hermite ) entre los dos estados sin dejar de proyectar hacia el futuro. Otra técnica es usar la combinación de velocidad proyectiva, que es la combinación de dos proyecciones (la última conocida y la actual) donde la proyección actual usa una combinación entre la última velocidad conocida y la actual durante un tiempo establecido.

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 . Esto esencialmente combina desde la velocidad del lado del cliente hacia la velocidad del lado del servidor para una transición suave. Tenga en cuenta que debe pasar 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 es problemática siempre que permanezca en uno.

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 de inicio del lado del cliente en función del tiempo que ha pasado 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 para 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 sin problemas 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 pueden sufrir las interpolaciones basadas en splines.

Ciencias de la Computación

En informática, la navegación a estima se refiere a navegar por una estructura de datos de matriz utilizando índices. Dado que todos los elementos de la matriz tienen el mismo tamaño, es posible acceder directamente a un elemento de la matriz conociendo cualquier posición en la matriz.

Dada la siguiente matriz:

A B C D mi

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 de puntero .

Ver también

Aplicaciones de Nuvola ksysv square.svg Portal de transporte

Referencias

enlaces externos