Sistemas de localización en interiores

Sistemas de localización en interiores es un artículo de Adrian Canedo, CTO en Situm – Dr. en Robótica

Seguro que has utilizado recientemente una app de navegación en exteriores, como Google Maps o TomTom. Tal vez necesitabas saber dónde estaba un restaurante, o quizás viajabas en coche y no querías perderte tu salida en la autopista. Hace 20 años, habrías tenido que mirar un mapa de carretera o preguntar a alguien. Hoy en día, es impensable vivir sin estas apps.  

La navegación en interiores trae estas aplicaciones y servicios a los espacios interiores, donde el GPS no funciona. La navegación en interiores busca guiar a las personas dentro de los edificios: ¿cómo te mueves por un gran aeropuerto? ¿Cuál es la forma más rápida de encontrar la consulta de tu médico? ¿Cómo podemos saber por dónde se desplazan los visitantes de un centro comercial? 

Si eres un desarrollador que busca crear una app de navegación en interiores para smartphones Android o iOS, ¡estás de suerte! Hoy en día, hay proveedores (como Situm) que ofrecen plataformas de navegación en interiores listas para integrar con los 4 ingredientes que todo desarrollador necesita para crear una nueva solución de navegación en interiores desde cero: 

• Posicionamiento en interiores para geolocalizar el dispositivo del usuario. 
• Mapas indoor para representar la geolocalización y el espacio de forma que el usuario pueda entenderlo.  
• Rutas indoor para mostrar el camino al usuario para llegar a su destino.  
• Geoanalíticas indoor para extraer información útil sobre el edificio y los datos de geolocalización.  

En este post, hablaremos sobre el elemento más importante de los cuatro: el posicionamiento en interiores.  

1. ¿Qué es el posicionamiento en interiores?  

El posicionamiento en interiores busca geolocalizar dispositivos dentro de los espacios interiores: posición, orientación e incluso la planta y el edificio en que se encuentra el dispositivo. La parte complicada es que el GPS no funciona en el interior, así que este posicionamiento depende de otras señales y técnicas que logran la localización en interiores: señales WiFi, iBeacons Bluetooth, sensores inerciales, campos magnéticos, …  

2. ¿Cómo decidir qué sistema de localización en interiores es el mejor para ti?  

Todos los sistema de localización en interiores tienen pros y contras. Habitualmente, lo que te interesa evaluar es: 

• Precisión: Una precisión de entre 1 y 5 metros es más que suficiente para proporcionar una buena experiencia de navegación.  
• Inversión en infraestructura requerida: Cuanto menos, mejor. 
• Frecuencia de actualización: Obviamente, actualizar tu UI cada segundo es mejor que hacerlo cada minuto.  
• Estabilidad: Las actualizaciones de localización no deberían tener saltos. ¡El usuario puede marearse!  
• Capacidad de detectar los cambios de planta automáticamente: Los usuarios no deberían tener que indicar la planta en la que se encuentran: ¡la app debería hacerlo automáticamente! 

3. Sistemas de localización en interiores disponibles en el mercado

Si quieres un resumen, hemos creado para ti una tabla con los pros y contras de los principales sistemas de localización en interiores disponibles en el mercado. Si quieres todos los detalles, ¡continúa leyendo! 

Tabla comparativa de sistemas de localización en interiores

Sistema	Pros	Contras
WiFi	* Utiliza la infraestructura existente  * Detección de planta	* Baja precisión (5-20 metros). Inestable.   * No funciona en iOS. En Android >9, actualizaciones de localización poco frecuentes.  * No proporciona orientación.
BLE	* Habitualmente requiere instalar nueva infraestructura (beacons)  * Detección de planta	* Baja precisión (5-20 metros) e inestable a no ser que se utilicen muchos beacons.   * No proporciona orientación.
Campo magnético	* No requiere infraestructura  * Preciso (1-3 metros)  * Proporciona orientación	* No detecta la planta en la que estás (al menos de forma robusta y consistente).  * Muy inestable e inconsistente a lo largo del tiempo.
Estimación de movimiento	* No requiere infraestructura	* No proporciona la localización real, sino el movimiento/trayectoria del usuario.
Cámara	* No requiere infraestructura (o necesita poca, como códigos QR)   * Preciso (incluso hasta 1 metro)  * Proporciona orientación	* El usuario debe apuntar con la cámara hacia delante. No funciona en el bolsillo.   * Construir y mantener una base de datos en imágenes de todo el edificio requiere mucho esfuerzo.   * Puede no ser robusto debido a los cambios en el ambiente (por ejemplo, la gente que camina a tu alrededor, nuevos elementos).   * A veces puede no ser posible distinguir los diferentes espacios con la cámara.
Luces	* Preciso (incluso hasta 1 metro)   * Proporciona orientación	* Requiere una gran inversión en infraestructura.   * El usuario debe apuntar su cámara frontal hacia el techo. No funciona en el bolsillo.
Multi-sensor	* Preciso (1-3 metros). * Proporciona orientación   * Proporciona actualizaciones de localización estables y frecuentes  * Detección de planta	* Puede requerir alguna infraestructura (beacons BLE) para funcionar en dispositivos iOS.

3.1 Posicionamiento en interiores usando WiFi

El WiFi está por todas partes. Ha permitido el acceso a internet sin cables en todo el mundo, ¡y también se puede utilizar para proporcionar posicionamiento indoor! Hay dos acercamientos principales al posicionamiento por WiFi: trilateración y fingerprinting

Utilizando el indicador de fuerza de la señal recibida (RSSI) obtenido en cada Punto de Acceso WiFi, los sistemas de trilateración estiman la distancia del smartphone de cada PA WiFi y computa la localización del dispositivo (conociendo cada localización de PA WiFi dentro del edificio). Por otro lado, las soluciones de fingerprinting determinan la localización del dispositivo comparando la fuerza de la señal recibida de cada PA con la fuerza esperada en cada zona del edificio. Obviamente, esto requiere en primer lugar recopilar esa fuerza de señal esperada, un proceso llamado fingerprinting o calibración.

El método fingerprinting ha demostrado más flexibilidad para adaptarse a diferentes ambientes y topologías WiFi, más robustez contra el ruido y las interferencias, y mayor precisión.

Los sistemas basados en WiFi tienen una gran ventaja sobre las alternativas: ¡el WiFi está por todas partes! Por lo tanto, el WiFi ha sido el método de posicionamiento indoor más utilizado durante décadas: reduce o elimina la necesidad de instalar nuevo hardware en la zona.

No obstante, las soluciones basadas solo en WiFi no son adecuadas para construir buenas experiencias de navegación en interiores:

• Normalmente dan una precisión de entre 5 y 20 metros, que puede no ser suficiente para todas las aplicaciones.
• Las estimaciones de localización no son demasiado suaves (más bien son irregulares) y la frecuencia (una cada 3-30 segundos) puede ser insuficiente para construir una buena UX.
• Los smartphones iOS no escanean WiFi, así que los sistemas basados únicamente en WiFi no funcionan con iOS.
• De Android 9 en adelante, los dispositivos Android tienen una capacidad limitada para escanear WiFi (las señales WiFi solo se pueden escanear una vez cada 30 segundos). El posicionamiento solo con WiFi es posible, pero los resultados no son ideales.

3.2 Localización en interiores mediante Beacons Bluetooth

Con la adopción del estándar Bluetooth 4.0 (llamado habitualmente BLE o Bluetooth Low Energy), los beacons o balizas Bluetooth aparecieron en el mercado a principios de los 2010s, y desde entonces su uso no ha dejado de crecer. Hoy en día, dos tipos de beacon dominan el mercado: Appe iBeacons y Google Eddystone, con más del 50% de la cuota de mercado entre los dos.

Un beacon BLE es una pieza de hardware sencilla que emite paquetes BLE de forma constante. Los smartphones y otros dispositivos pueden detectar estos paquetes, medir su fuerza de señal (RSSI) y determinar su geolocalización. Como con el WiFi, se pueden usar técnicas de trilateración y fingerprinting, siendo esta última superior. Los beacons BLE también se han utilizado en especial para permitir casos como la detección de proximidad y el marketing de proximidad.

Las BLE beacon tienen algunas ventajas sobre los puntos de acceso WiFi:

• Normalmente son más baratos (menos de 20$, habitualmente), pequeños y discretos (pocos centímetros de ancho), pueden instalarse en casi cualquier sitio (pegados o atornillados a la pared) y pueden funcionar con baterías (con autonomía de algunos años) o enchufados.
• Tanto los dispositivos Android como iOS tienen un gran soporte de BLE, permitiendo varias lecturas BLE por segundo y una estabilidad de potencia de la señal decente. Esto permite computar la geolocalización por segundo, lo ideal para proporcionar una buena UX de navegación.
• Los parámetros del beacon BLE (potencia de transmisión, frecuencia de transmisión, etc.) se pueden configurar con facilidad, siendo flexibles para soportar diferentes modos de operación y para crear casuística.

Como en el caso del WiFi, los sistemas de localización en interiores basados solo en beacons no logran una buena precisión (en el rango de entre 5-20 metros). Algunos proveedores solucionan esto instalando muchos beacons (por ejemplo, uno cada pocos metros), pero esto supone que su instalación y mantenimiento sea más bien caro.

3.3 Sistema de localización en interiores basado en campos magnéticos 

Los campos magnéticos están por todas partes. La Tierra, por ejemplo, tiene un potente campo magnético, gracias al cual las brújulas apuntan al Norte (y los sistemas de posicionamiento en interiores pueden determinar la orientación del dispositivo).

Dentro de los edificios, no obstante, los campos magnéticos pueden sufrir distorsiones severas causadas por diferentes elementos, tales como los materiales de construcción ferromagnéticos (por ejemplo, el hierro, el acero), dispositivos electrónicos (escaleras mecánicas, máquinas de vending, equipos médicos) y la instalación eléctrica (por ejemplo, los cables). Esto es un inconveniente para extraer la orientación del dispositivo, pero ya que la distorsión magnética no es uniforme en todo el espacio, las distorsiones se pueden utilizar para computar la geolocalización del dispositivo. Por suerte, la mayoría de los smartphones modernos tienen un sensor llamado “magnetómetro”, capaz de medir los 3 componentes del campo magnético.

Las soluciones basadas en campos magnéticos requieren en primer lugar registrar un mapa magnético muy detallado del edificio (fingerprinting/calibración), y después comparar los distintivos magnéticos medidos por el smartphone con los esperados en cada zona del edificio. De este modo, estiman la geolocalización.  

Estos sistemas de localización en interiores tienen dos ventajas principales. En primer lugar, no requieren de ningún hardware: la estructura del edificio es suficiente. En segundo lugar, la estimación de la geolocalización puede ser bastante precisa (por debajo de 3 metros).

No obstante, las soluciones basadas en campos magnéticos tienen una gran desventaja: el posicionamiento, incluso si es preciso, puede no ser robusto ni consistente a lo largo del tiempo. Esto se debe a varios factores: puede que no todas las zonas del edificio tengan señales magnéticas fáciles de distinguir (por ejemplo, a veces no es posible distinguir zonas similares en dos plantas diferentes), los elementos del edificio pueden cambiar a lo largo del tiempo, el magnetómetro del smartphone necesita calibración frecuente para proporcionar datos de calidad, etc. Por estas razones, las soluciones únicamente basadas en los campos magnéticos son complicadas de utilizar en escenarios reales.

3.4 Estimación del movimiento del usuario (sensores inerciales, barómetro y mapas restringidos)

Los smartphones más modernos están equipados con sensores que permiten medir el movimiento del usuario. Estos son:

Acelerómetro	Giróscopo
Magnetómetro	Barómetro

Sensores inerciales de smartphones

La combinación de todos estos sensores logra reconstruir, con mucha precisión, el desplazamiento del smartphone en un período de tiempo. Esto nos permite saber cuánto se ha movido un usuario en relación con un punto de partida, en qué momento giraron, ¡e incluso si cambiaron de planta! Algunos sistemas de posicionamiento en interiores mejoran esta estimación incluyendo en la mezcla zonas delimitadas en el mapa: si conocemos la localización de los pasillos, giros y cambios de planta, es posible ajustar el movimiento del usuario a una (o más) trayectorias válidas dentro del mapa.

A veces, después de que el usuario camine durante un rato, será posible extraer su localización dentro del edificio con estos métodos (especialmente si tenemos zonas delimitadas en el mapa). No obstante, la mayor parte del tiempo se necesita conocer el punto de partida: o bien lo proporciona el usuario (lo que, debemos decir, hace que no sea un sistema de localización indoor demasiado útil), o bien otro sensor como WiFi o BLE se utiliza como complemento.

3.5 Basados en cámara 

Los smartphones tienen una cámara, así que ¿por qué no localizamos al usuario con técnicas de Visión Computadora? Esta es la línea de actuación de muchos sistemas de localización en interiores (y exteriores) que obtienen la localización del usuario haciendo coincidir las imágenes o el vídeo capturados con el smartphone con una base de datos del edificio registrada previamente.

Esta base de datos puede consistir en 1) puntos de referencia y su localización (tales como códigos QR) o 2) imágenes (o incluso un modelo 3D) de todas las áreas del edificio. El principio siempre es el mismo: el usuario enfoca la cámara hacia delante y… ¡Voilà! ¡Reconocemos dónde está!

Estos enfoques son por supuesto muy atractivos, ya que no requieren de un hardware dedicado para funcionar (o requieren una “infraestructura” muy barata, como códigos QR). También son un buen complemento a las apps de Realidad Aumentada.

También tienen desventajas:

• Solo son tan buenos como el número de códigos QR instalado, o la cobertura de la base de datos de imágenes del edificio. Conseguir resultados excelentes puede ser complicado de implementar y mantener.
• Normalmente sería poco razonable esperar que el usuario camine apuntando con la cámara hacia delante. La mayoría de nosotros caminamos con nuestro smartphone o bien en la mano (con la cámara apuntando hacia el suelo), o en nuestro bolsillo.
• Hablando del Rey de Roma: no funcionan cuando el smartphone está en el bolsillo. Esto no es relevante para el guiado en interiores, pero sí lo es si también queremos utilizar el sistema para casos de uso de monitorización.

3.6 Basados en luz 

Cuando se utiliza una app de navegación en interiores, la mayoría de los usuarios caminan con el smartphone en la mano con la cámara apuntando hacia el suelo, y la cámara frontal hacia el techo. El techo normalmente tiene luces, así que algunos proveedores de iluminación han diseñado sistemas de iluminación especiales que pueden ser detectados ¡con la cámara frontal! ¡Genial!

El procedimiento es simple: cada luz emite un “código de luz” único que el smartphone puede detectar, permitiendo un alto nivel de precisión. Estos sistemas pueden ser muy precisos y fáciles de mantener. La principal desventaja es, por supuesto, que tienes que hacer una gran inversión en nueva infraestructura y cambiar todos sus sistemas de iluminación, y dependerás de un proveedor específico de hardware y software.

4. Sistemas de localización en interiores con estrategia multisensorial

En este punto, puede que estés pensando: ¿es posible coger lo mejor de cada técnica para construir un sistema de posicionamiento en interiores realmente bueno? ¡Y la respuesta es un sí rotundo! Los mejores sistemas de posicionamiento en interiores mezclan varias de estas técnicas y sensores para lograr el mejor resultado.

Este es el caso de Situm, que incorpora información de todos los sensores del smartphone, incluyendo WiFi, BLE, magnetómetro, acelerómetro, giroscopio y barómetro. En dispositivos Android, estas soluciones pueden posicionar sin infraestructura adicional sirviéndose de la infraestructura WiFi existente (tal vez complementándola con algunos beacons en zonas más ocultas). Los dispositivos iOS no permiten el escaneo WiFi, así que estas soluciones dependen de los beacons Bluetooth en este caso. No obstante, usando toda la información de los sensores podemos obtener grandes resultados con un 10% de los beacons que requieren otras opciones, ¡un gran ahorro en infraestructura!

En 2016 Situm & Telefónica presentaron en el MWC 2016 el sistema de posicionamiento y navegación en interiores sin infraestructura dedicada (Nota de prensa de Telefónica)

Estas aproximaciones tienden a conseguir una buena precisión (1-3 metros de media) con actualizaciones de la localización estables y frecuentes (1 por segundo, sin saltos), sin requerir grandes inversiones e infraestructura (a veces, sin ninguna infraestructura). ¡También se puede detectar automáticamente en qué planta está el usuario!

5. Aplicaciones de los sistemas de localización en interiores

El posicionamiento indoor se ha expandido durante los últimos años debido a la cantidad de casos de uso que han florecido a su alrededor. Algunos de los más importantes son: 

• Navegación en interiores para mejorar la experiencia del visitante en edificios grandes y complejos tales como hospitales, aeropuertos, centros comerciales o centros de exposiciones.  
• Localización, seguimiento y monitorización en tiempo real de personal y activos en interiores.  
• Geo-analíticas del uso del espacio para optimizar recursos y mejorar los procesos.  
• Campañas de geomarketing para impactar en el cliente en el momento y lugar adecuados.  

En conclusión, con este abanico tan amplio de posibilidades, los desarrolladores se han lanzado a crear nuevas y sorprendentes aplicaciones basadas en el posicionamiento y la navegación en interiores.