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.