Diseño y construcción de un autómata móvil de vigilancia remota y monitoreo en tiempo real
Generalidades LA ROBÓTICA La Robótica es una
tecnología multidisciplinar, ya que hace uso de los
recursos que le proporcionan otras ciencias y disciplinas, como
por ejemplo: Matemática (Ciencia), Electrónica,
Informática y Mecánica (Disciplinas). Se apoya en
gran medida en los progresos de la microelectrónica y de
la informática, así como en nuevas disciplinas
tales como el reconocimiento de patrones e inteligencia
artificial.
Clasificación Por Su Generación Por su nivel de
Inteligencia Por su nivel de control Por su nivel de Lenguaje Por
su aplicación Robot controlado por sensores. Dispositivos
de manejo manual. Nivel de Inteligencia Artificial Sistemas
Guiados. Educación
Sistemas Embebidos Se hace referencia a un dispositivo que, a
diferencia de una computadora (PC) de propósito general,
es de uso único. Está diseñado para realizar
un conjunto específico de tareas u operaciones. Por lo
general, son computadoras de una única placa o tarjeta,
denominados SBC (del inglés, Single Board Computer).
FPGA Es un “dispositivo lógico de propósito
general programable por los usuarios, compuesto de bloques
lógicos comunicados por conexiones programables”. La
lógica programable puede reproducir desde funciones tan
sencillas como las llevadas a cabo por una puerta lógica o
un sistema combinacional hasta complejos sistemas en un
chip.
Sistemas de Vigilancia La vigilancia tecnológica consiste
en “realizar de manera sistemática la captura, el
análisis, la difusión y la explotación de
las informaciones técnicas útiles para la
supervivencia y el crecimiento de Conjunto de métodos y
observaciones que permiten investigar eventos e incidentes
adversos previos o posteriores
Sensores Infrarrojos El sensor es un dispositivo
electrónico/mecánico/químico que mapea un
atributo ambiental resultando una medida cuantizada, normalmente
un nivel de tensión eléctrica. Particularmente, el
sensor infrarrojo es un dispositivo electrónico capaz de
medir la radiación electromagnética infrarroja de
los cuerpos en su campo de visión. Todos los cuerpos
reflejan una cierta cantidad de radiación, esta resulta
invisible para nuestros ojos pero no para estos aparatos
electrónicos, ya que se encuentran en el rango del
espectro justo por debajo de la luz visible.
Sensores Ultrasónicos Es un sensor que mide la
perturbación entre un emisor de ultrasonido y su receptor.
El ultrasonido se llama así por estar encima del umbral
audible humano que es de 17Khz. Los medidores ultrasónicos
de distancia y sensores de ultrasonidos que se utilizan en los
robots son, básicamente, un sistema de sonar. Aparatos
utilizados para detectar la presencia de intrusos y otros objetos
extraños. El sistema detecta la frecuencia de las ondas
reflejadas para detectar pequeños cambios que pueden
ocurrir debido a un objeto en movimiento técnicamente se
conoce como el efecto Doppler.
GPS Es un sistema de localización, diseñado por el
Departamento de Defensa de los Estados Unidos con fines militares
para proporcionar estimaciones precisas de posición,
velocidad y tiempo; operativo desde 1995 utiliza conjuntamente
una red de ordenadores y una constelación de 24
satélites para determinar por triangulación, la
altitud, longitud y latitud de cualquier objeto en la superficie
terrestre.
Redes de Comunicación Inalámbrica Esta redes
facilitan la operación en lugares donde la computadora no
puede permanecer en un solo lugar, como en almacenes o en
oficinas que se encuentren en varios pisos. IEEE: 802.11b, que
emite a 11 Mb/seg 802.11g, que emite, a 54 MB/seg 802.11n
Implementación El robot cuenta con tres aspectos
fundamentales para el funcionamiento; el primero es la
elección del hardware del robot, el segundo es la
circuitería para el control de los motores y el tercer
aspecto importante es la programación que se encarga de
ejecutar las órdenes binarias.
Diseño del Autómata Existe una gran variedad de
modos de moverse sobre una superficie sólida, entre los
robots, las más comunes son las ruedas, las cadenas y las
patas. Los vehículos de ruedas son, con mucho, los
más populares por varias razones prácticas.
Diseño del Autómata se representa la
locomoción con guiado diferencial del robot. Las
coordenadas (x, y) suministran la posición del robot con
respecto a las coordenadas globales y el ángulo f su
orientación con respecto a un eje paralelo al Y1; en base
a estas tres coordenadas (x, y, f) se puede especificar
completamente la posición y orientación del robot
móvil. En cada instante de tiempo, las ruedas izquierda y
derecha deben seguir una trayectoria que se mueva alrededor del
ICR (Centro Instantáneo de Rotación) a la misma
velocidad angular con un radio de giro R
Robot móvil LabVIEW Robotic sbRIO Starter Kit. EL
robot móvil LabVIEW Robotics sbRIO Starter Kit como se
puede ver en la Figura 48, corresponde a una plataforma
móvil diseñada e implementada por National
Instruments, la simplicidad de este hardware robótico es
ideal para la enseñanza de conceptos de Robótica y
Mecatrónica, así como para realizar proyectos de
investigación.
Características Totalmente ensamblado sobre una base de
robot móvil. Pitsco Educación 12 VDC con motores de
152 rpm y 300 oz-in. de torque Codificadores ópticos
cuadratura con 400 pulsos por revolución PING))) sensor de
distancia ultrasónico para mediciones de distancia entre 2
cm y 3 m PING))) soporte de montaje para un barrido de 180 grados
del entorno Dos Pitsco Educación TETRIX 4 pulgadas ruedas
y una rueda omnidireccional para dirección La toma de
decisiones es en tiempo real y el procesamiento de las entradas y
salidas es realizado por un dispositivo FPGA. Fácil
conexión a una variedad de sensores y actuadores de uso
robótico.
Selección de Materiales El diseño del
autómata implica muchas fases, siendo una de las
más importantes la selección de materiales, y en
específico la selección de materiales
óptimos para encontrar un alto rendimiento en el conjunto
de partes que componen el robot. Sensores Infrarrojos y
Ultrasónico Tarjeta FPGA Entradas Analógicas y
Digitales. Puntos de Acceso Wifi Cámara Software LabView
National Instrumenst A continuación detallamos los
materiales usados en el diseño y construcción del
robot móvil de vigilancia. Wireless N150 Home Ruteador
Localizador Quectel GL 100 IP/Network Camera SP-FJ01W
Joystick Baterías recargables Enercell (1.2 V) Cargador de
Baterías Enercell
Elementos fuera de Labview Robotics Wireless N150 Home Ruteador
El Ruteador usa la tecnología Wireless 150, que ofrece
mayor velocidad y rango que los estándares 802.11g/b. Su
característica NAT permite a múltiples usuarios
conectarse a Internet compartiendo una sola dirección IP,
también incluye un switch Ethernet integrado de 4 puertos
10/100 BASE-TX que le da la flexibilidad para conectar
computadores por cable a la red.
Elementos fuera de Labview Robotics Localizador Quectel GL
100 Geo-Locator es un nuevo concepto de localización que
permite el seguimiento en tiempo real de la ubicación de
personas o bienes que portan el localizador GPS. Este sistema
ofrece una solución integrada con la plataforma de
localización, cartografía digital actualizada y la
posibilidad de realizar el monitoreo en cualquier momento y
desde cualquier lugar a través del sitio web o desde un
teléfono móvil.
Elementos fuera de Labview Robotics IP/Network Camera SP-FJ01W
Cámara Ip robótica inalámbrica con Wifi
y visión nocturna, con audio y video cámara ip
y motorizada, transmite video y audio, permite vigilar,
monitorear, espiar, desde cualquier computadora, cuenta con un
CPU integrado, y con conexión a internet por cable
Ethernet, o por Wifi.
Elementos fuera de Labview Robotics Josystic Los joystick para PC
actuales se conectan a la computadora a través del puerto
USB 2.0, mandando señales digitales a través de
este puerto, que han de ser interpretadas por su
correspondiente controlador, por lo tanto se ha eliminado la
limitación de palancas y botones, pudiendo ser el
dispositivo diseñado con tantos botones o palancas como el
fabricante determine
Desarrollo del Programa de Control LabVIEW Robotics Starter Kit
es una plataforma de robot móvil que cuenta con sensores,
motores y el hardware NI Single-Board RIO para el control
integrado. El software LabVIEW Robotics incluye
características para principiantes y para aquellos que
tienen más experiencia. LabVIEW Robotics Starter Kit
API para comenzar a trabajar rápidamente y controlar el
robot en tiempo real y se puede acceder a la FPGA y realizar una
programación personalizada
Arquitectura del Software LabVIEW posee la capacidad de
interactuar con otros lenguajes y aplicaciones como: DLL
(librerías de funciones), .NET, ActiveX, MultiSim,
Matlab/Simulink, AutoCAD, SolidWorks, RobotSim, etc. Herramientas
gráficas y textuales para el procesado digital de
señales. Visualización y manejo de gráficas
con datos dinámicos. Adquisición y tratamiento de
imágenes. Control de movimiento. Tiempo Real.
Programación de FPGAs para control o validación.
Sincronización entre dispositivos.
Labview LabVIEW es una herramienta de programación
gráfica. Originalmente este programa estaba orientado a
aplicaciones de control de instrumentos electrónicos
usadas en el desarrollo de sistemas de instrumentación, lo
que se conoce como instrumentación virtual. Por este
motivo los programas creados en LabVIEW se guardarán en
ficheros llamados VI y con la misma extensión.
Creación del Proyecto Para crear proyectos en LabVIEW se
pueden seguir cuatro caminos, tres de ellos a partir de la
ventana de inicialización Getting Started de LabVIEW 2011
y el otro haciendo uso de la ventana de inicialización
Getting Started de LabVIEW Robotics 2011, asumiendo que ya se ha
instalado el Módulo LabVIEW Robotics 2011.
Clic en Robotics Project Usando la Ventana Getting Started de
LabVIEW Robotics
Robotics Starter Kit 2.0 Usando la Ventana Getting Started de
LabVIEW Robotics
Usando la Ventana Getting Started de LabVIEW Robotics
Usando la Ventana Getting Started de LabVIEW Robotics
Programa Principal
Rutina de Caminata Un lazo para adquirir las señales de
los encoders ópticos acoplados en los motores del robot Un
lazo para controlar la velocidad de los motores DC, el cual
envía las señales PWM al controlador Un lazo para
adquirir la señal proporcionada por el sensor
ultrasónico PING))) y en donde se realiza la lógica
para determinar la distancia medida por este sensor. Un lazo para
controlar el ángulo de giro del servomotor Parallax Un
lazo para controlar el encendido, apagado o parpadeo del LED
FPGA
Rutina de Caminata
Rutina de Acción frente a obstáculos La rutina de
evasión de obstáculos hace el uso del sensor de
distancia ultrasónico, desarrollando un proyecto en
LabVIEW que permita realizar evasión de obstáculos,
independientemente del entorno por el cual el robot se movilice.
Es importante conocer y comprender el funcionamiento del sensor
de distancia, “Sensor Ultrasónico PING))) para su
correcta lectura de datos. Nos basamos en el VI Starter Kit 2.0
Roaming que permite efectuar el control de los 2 motores DC del
robot móvil, así como la lectura del sensor
ultrasónico realizando un barrido continuo del servomotor
de Parallax (-p a p), y la lectura de los datos del sensor
ultrasónico.
Rutina de Acción frente a obstáculos
Rutina de Detección de Personas El modo de
detección de personas está basado principalmente en
el sensor ultrasónico y la imagen emitida por la
cámara la cual nos permite ver todo lo que sucede en una
pantalla de control, es decir el robot no sabe si es una persona,
sería el operador en la estación de control quien
determina si es una persona, el sensor realiza un barrido de
entre 0 a 180 grados aproximadamente con un radio de tres metros
con referencia al objeto que esta censado, el sensor puede variar
la distancia de control de objetos de entre 0 m a tres
metros.
Comunicación de Audio y Video La rutina de
comunicación de audio y video se realiza mediante la
cámara y el software del mismo llamado SunEyes
Cámara IP súper client, la cual tiene las opciones
de comunicación bidireccional y de videos propias de la
cámara, como a continuación se detallan en la
pantalla
Modos de Trabajo del Robot
Pruebas Ruedas: se las realizó mediante la interface de
Labview donde se puede observar una reacción en tiempo
real cuando se programa con slider y cuando el control se lo
realiza con el Josystick se tiene un retardo para la
reacción de los motores. En la siguiente Tabla podemos
describir la velocidad de los motores mediante los diferentes
tipos de carga y superficie.
Pruebas y Resultados Obstáculos
Pruebas y Resultados Obstáculos
Condiciones Externas El terreno o el piso en el cuál el
robot realiza su misión debe de ser en lo más
posible uniforme, es decir evitar gradas, y otras superficies que
pudieran estar en desnivel con el suelo. Debe de evitar que en la
ruta existan objetos demasiado pequeños, ya que los
sensores del prototipo podrían no detectarlos. El
reconocimiento de intrusos dependerá del control del
operador en la estación de control, este se ayudara de la
cámara para la vigilancia
Resultados Con las condiciones mencionadas es totalmente
autónomo y se comprobó que puede gestionar y
desenvolverse de la mejor forma en la superficie plana que se
encuentre, pero al probarse con entornos que no cumplían
con uno de los puntos mencionados el prototipo no podía
cumplir con el recorrido de la ruta, con lo que se atoraba o
estancado si la superficie no era uniforme, arrastraba objetos
demasiado pequeños que los sensores no lo detectaban. En
estructuras con patas metálicas como sillas y escritorios
chocaba al no detectar las partes muy delgadas por lo que se
atoraba en dichas estructuras.
Condiciones del manejo del Prototipo Las baterías de
alimentación de los motores y del circuito deben de estar
cargadas completamente. Colocar las baterías en los sitios
destinados para ello, ya que están distribuidos en
función del peso que soporta la estructura del prototipo.
Al momento de poner en marcha el robot, siempre es necesario el
control del operador para evitar que el robot sufra daños,
además el monitoreo permanente ayudara a controlar la
presencia de personas extrañas.
Sistema de Vigilancia El sistema de vigilancia responde a
estímulos externos que son detectados por el sensor
ultrasónico, la cámara se acciona en todo momento y
filmara cada una de las acciones que se realicen, en el software
de la cámara tenemos la opción de realizar
grabaciones permanentes las cuales se almacenan en el disco duro
del computador o estación de control, es por eso necesario
el monitoreo constante de un operador en la estación de
control, a fin de reconocer por el video eventos extraños
que merezcan vigilancia.
Envío de Ordenes desde La PC La recepción y
envío de órdenes desde la PC al autómata se
realiza mediante la conexión inalámbrica Ruteador
Computador, como el dispositivo autómata cuenta con
conexión física de puertos RS232 y Ethernet
aprovechamos esta bondad, en este caso hemos utilizado el puerto
Ethernet ya que todos los dispositivos utilizados para redes
utilizan el mismo como computadoras, switch, Ruteador, hubs y
demás dispositivos de conexiones a redes. Cabe
señalar que la comunicación o el envió de
ordenes se la realiza con protocolo IEEE 802.11. La
comunicación al dispositivo autómata es puramente
inalámbrica solo las conexiones al Ruteador como es el
caso de la cámara y de la tarjeta SbRIO es mediante cable
directo de red.
Listado de Elementos
Alcance Puede realizar el control de perímetros o
estructuras según el enfoque del cliente. Una
solución más flexible para un sistema de
comunicación se podría realizar con cualquier
dispositivo de conexión por vía Ethernet o RS232.
Para un mayor control de perímetros o de cualquier otra
área, se podría implementar más dispositivos
de control dependiendo de las entradas y salidas que posea el
autómata. Una solución para los distintos usuarios
de la aplicación de robótica en seguridad
podría ser cambiar la forma de programación del
autómata dependiendo del requerimiento del usuario.
Limitaciones Va a variar mucho en la conexión a distancia
al autómata para nuestro caso hemos utilizado un Ruteador
con un alcance de 50 metros pero puede variar según el
requerimiento del usuario. Los dispositivos de control a conectar
al autómata va a depender de las salidas y entradas que
pueda manejar el mismo. Según el software de Labview
Robotics este es una versión de prueba que requiere un
serial para la activación completa del mismo, en nuestro
caso la utilización del software tiene un límite de
180 días. Los motores del autómata tienen un
límite de velocidad por lo que el incremento de la misma
va a depender de los elementos a disposición que posea
Labview para el requerimiento del usuario.
Conclusiones El sistema de vigilancia remota puede controlar
cualquier perímetro dependiendo del requerimiento del
cliente. El usuario del autómata puede realizar un
control de seguridad de forma automática y de forma
manual. En el control autónomo el sistema funciona por
medio del sensor ultrasónico el cual evita los
obstáculos y detecta las alarmas mediante la cámara
incorporada. En el control manual lo podemos realizar mediante
las estructuras de programación de Labview o con una
implementación de control Josystick para las ruedas
Recomendaciones Para un mayor control de los obstáculos se
puede incrementar más sensores que se permita hacer un
barrido en todas las direcciones. Para implementar un sistema que
sea independiente de conexiones a la línea de 110 V Ac,
debemos saber las características que tienen los
dispositivos para la implementación con baterías
recargables . Para la visualización de personas se
puede implementar con cualquier cámara que maneje un
protocolo Ethernet, no necesariamente del fabricante
básico de los dispositivos. Como el dispositivo tiene un
funcionamiento de aproximadamente 4 horas, podemos aumentar el
índice de tiempo con la implementación de
más pilas puestas en paralelo para que me dé el
mismo voltaje y me proporcione mayor corriente para el aumento de
tiempo de control del autómata.