<< Volver atrás

Tesis:

Encoded surfaces that are read by three-dimensional radar imaging systems

  • Autor: BADOLATO MARTÍN, Alejandro

  • Título: Encoded surfaces that are read by three-dimensional radar imaging systems

  • Fecha: 2025

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: INGENIERIA MECANICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/85129/

  • Director/a 1º: SANZ BOBIS, Juan de Dios

  • Resumen: Millimeter wave radars, due to their high performance, have typically been used for space exploration and security applications. Currently, they are used massively in the automotive sector so that vehicles can perceive objects in their environment. This Thesis proposes a new use of these devices that consists of using radars as a reading system on board a vehicle so that it can read encoded information over the infrastructure that is deployed along its trajectory. By reading this information, the vehicle can know its position safely and reliably with centimeter precision. This approach is of special interest in rail transport and road transport. The operating principle of the reader system consists of determining the distance between the onboard radar and the surface of each of the elements that encode the information. These coding elements are low-cost, low-maintenance passive devices that facilitate their deployment. Depending on the scope of application, a set of metal sheets arranged at different heights on the tracks or a certain combination of embossed 6 mm high two-component cold-plastic paint marks on the asphalt is used. As it is a radar reading system, its reliability is independent of the ambient lighting conditions, it is not necessary for the surfaces to be clean or have good retro-reflectivity and they can support traffic speeds greater than 360 km/h. Precise train stopping at stations for platform screen doors deployment or impact protection against buffer stops are some of its applications in the railway industry. In road transport, this system provides an additional guidance mechanism to the LDWS/ALKS systems that has greater reliability than optical systems and better resilience on roads that are in poor condition. On the other hand, the precise positioning and orientation of vehicles offered by this solution enables the sharing of target-detection vectors between vehicles. This allows vehicles to have a network of sensors deployed at different points to better perceive the environment. Another application that is of interest is to serve as a reference for ISA systems for the adoption of a progressive speed limitation system in urban environments or to serve as a reference for unmanned truck convoys. In this Thesis, a valid encoding system is proposed and implemented for massive deployment in the road network around the world using road markings that are commonly used on numerous roads to improve the visibility of road markings in rainy environments. A coding system that uses PVC pipes with metal sheets inside to facilitate a precise stopping system for trains is also manufactured and tested in real environments. Two prototypes are presented for each of the two areas of application and the results obtained. The ability of a vehicle to follow a track of raised paint markings is demonstrated and the ability of a train to know its stopping point with an accuracy of better than 2.5 cm is demonstrated. The thesis concludes that vehicles equipped with an appropriate millimetre-wave radar sensor can read information encoded in the infrastructure and, thanks to this, can determine their position with centimeter precision. It also demonstrates that it is possible to make a simple adaptation of the road network to achieve digitalization through rapid, low-cost deployment that requires zero maintenance during the useful life of the asphalt. RESUMEN Los radares de ondas milimétricas, por sus elevadas prestaciones, han sido utilizados típicamente para la exploración espacial y en aplicaciones de seguridad. En la actualidad, son utilizados de forma masiva en el sector de la automoción para que los vehículos puedan percibir objetos en su entorno. Esta tesis contempla un nuevo uso de estos dispositivos que consiste en utilizar los radares como un sistema de lectura embarcado en un vehículo para que este pueda leer información codificada sobre la infraestructura que está desplegada a lo largo de su trayectoria. Gracias a la lectura de esta información, el vehículo puede conocer su posición de manera segura y fiable con precisión centimétrica. Esta aproximación resulta de especial interés en el transporte ferroviario y en el transporte por carretera. El principio de funcionamiento del sistema lector consiste en determinar la distancia existente entre el radar embarcado y la superficie de cada uno de los elementos que codifica la información. Estos elementos de codificación son dispositivos pasivos de bajo coste y bajo mantenimiento que facilitan su despliegue. Dependiendo del ámbito de aplicación, se emplea un conjunto láminas metálicas dispuestas a diferentes alturas sobre las vías o una determinada combinación de marcas de pintura de plástico frío de doble componente en relieve de 6 mm de altura sobre el asfalto. Al tratarse de un sistema de lectura radar, su fiabilidad es independiente de las condiciones lumínicas ambientales, no es necesario que las superficies estén limpias o presenten una buena retro-reflectividad y soportan velocidades de circulación superiores a 360 km/h. La parada precisa del tren en estaciones para facilitar el despliegue de puertas de andén o la protección de impacto contra toperas son algunas de sus aplicaciones en la industria ferroviaria. En el transporte por carretera, este sistema facilita un mecanismo adicional de guiado a los sistemas LDWS/ALKS que presenta una fiabilidad mayor que los sistemas ópticos y una mejor resiliencia en aquellas vías que tienen un mal estado de conservación. Por otro lado, el posicionamiento y la orientación precisa de los vehículos que ofrece esta solución habilitan la compartición entre vehículos de los vectores de detección de objetos. Se permite así que los vehículos puedan disponer de una red de sensores desplegados en diferentes puntos para percibir mejor el entorno. Otra aplicación que resulta de interés es servir de referencia a los sistemas ISA para la adopción de un sistema de limitación de velocidad progresivo en entornos urbanos o servir de referencia a los convoyes no tripulados de camiones. En esta tesis se propone y se realiza un sistema de codificación válido para su despliegue de forma masiva en la red de carreteras de todo el mundo mediante marcas viales que se utilizan habitualmente en numerosas carreteras para mejorar la visibilidad de las marcas viales en entornos lluviosos. También se fabrica y prueba en entornos reales un sistema de codificación que emplea tuberías de PVC con láminas metálicas en su interior para facilitar un sistema de parada preciso a los trenes. Se presentan dos prototipos para cada uno de los dos ámbitos de aplicación los resultados obtenidos. Se demuestra la capacidad de un vehículo para seguir una pista de marcas de pintura en relieve y se demuestra la capacidad de un tren para conocer su punto de parada con una precisión mejor que 2,5 cm. La tesis concluye que los vehículos equipados con radares de ondas milimétricas adecuados pueden leer información codificada en la infraestructura y que, gracias a ello, pueden determinar su posición con precisión centimétrica. También demuestra que es posible realizar una sencilla adaptación de la red de carreteras para lograr su digitalización mediante un rápido despliegue de bajo coste que requiere de un mantenimiento nulo durante la vida útil del asfalto.