Instrumentación de un Robot Móvil para la Detección de Objetos
Nubia Ilia Ponce de León, Carlos Aguilar López, Ghandy Vladimir Cruz Domínguez, Fernanda López Arauz
kiya_puig_23@hotmail.com, alca081386@gmail.com ; secmus@hotmail.com; ahome_love.89@hotmail.com
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Maestría en Ingeniería Electrónica, Opción Instrumentación Electrónica, Av. San Claudio y 18 Sur, Ciudad Universitaria, C.P. 72570. Puebla,
Pue. México
RESUMEN
Los robots móviles han estado en constante desarrollo en los últimos años. Esto se debe a la amplia variedad de aplicaciones que pueden tener al combinarse con elementos distintos de control e instrumentación. En este documento se describe la metodología que se utilizó para crear un robot móvil que evade obstáculos y realiza el conteo de objetos de color rojo encontrados en su camino, desde el diseño de la estructura del robot, seguido de la mecánica del mismo, después la instrumentación de los sensores requeridos y finalmente la programación. El proyecto tiene la finalidad de poder ser utilizado en trabajos posteriores para el reconocimiento de lugares inaccesibles o poco seguros para el ser humano.
PALABRAS CLAVE: Robot móvil, sensor ultrasónico, percepción, reconocimiento de imágenes.
1. INTRODUCCIÓN
Los robots móviles presentan un gran avance en la tecnología, esto se debe a que los elementos que los componen son más fáciles de conseguir y cada vez hay más dispositivos comerciales; también se debe a la existencia de mayor accesibilidad a las plataformas de software que facilitan que el robot realice las tareas especificadas.
Una definición de robot móvil viene de la teoría clásica de robots [1]: Un robot móvil es un vehículo de propulsión autónoma y movimiento (re)programado por medio de control automático para realizar una tarea específica.
Los robots móviles tienen varias clasificaciones, una de ellas es si son guiados y no guiados. El vehículo guiado está restringido a un conjunto de trayectorias predefinidas en su área de trabajo. Estas trayectorias están indicadas por líneas ópticas o magnéticas o de color o una secuencia de movimientos guardados en la memoria. El robot en ningún momento puede abandonar la trayectoria. A estos robots se les llama también vehículos automáticos guiados. Los vehículos no guiados están restringidos a una trayectoria predefinida. A estos robots pertenecen los robots submarinos, los del espacio aéreo y/o espacial y los terrestres [2].
Los robots móviles presentan varias ventajas importantes que destacan en sus aplicaciones, la más importante de ellas es el evitar riesgos en los seres humanos, debido a la autonomía que se les proporciona o mediante guía a distancia para evitar que el hombre tenga que acceder a lugares de riesgo. En general, independientemente de la aplicación que se le dé al robot móvil, es importante que, en primer lugar, logre evadir los objetos que se encuentren a su paso para poder
realizar la tarea especificada [2]. Otra clasificación de los robots móviles se hace principalmente en base al tipo de locomoción que tienen, esta puede ser de llantas, orugas o patas principalmente. Los que son de locomoción por ruedas se clasifican también por el tipo de configuración de todas sus llantas.
En este proyecto se trabajará con un robot móvil de llantas tipo (3,0), esto quiere decir que en su configuración utiliza 3 o más ruedas omnidireccionales y cada una tiene la capacidad de girar en ambos lados (ver Figura 1). Cada rueda cambia de dirección independientemente, sólo dos de ellas son contraladas mientras que la tercera rueda es sólo de soporte.
El robot diseñado y explicado en este documento detecta obstáculos y los esquiva mientras está en movimiento, también puede realizar el conteo de objetos de color rojo que se cruzan en su camino, la metodología que se siguió para cumplir los objetivos se describe a continuación.
Figura 1: Robot Móvil de tipo (3,0).
2. DESARROLLO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS
Para el desarrollo de este proyecto se usó una tarjeta de desarrollo Arduino, la cual es la encargada de obtener las mediciones de distancia que arrojan los sensores para después hacer la lógica requerida para que el robot no colisiones con algún objeto. Se utilizan cinco sensores ultrasónicos, los cuales se colocaron estratégicamente en la parte frontal y laterales del móvil para reducir los puntos ciegos del robot. La estructura del robot móvil se observa en la Figura 2.
Consideraciones para el diseño y construcción.
El robot móvil es un carro rígido con dos ruedas independientes propulsadas por motores eléctricos de CD y una rueda de soporte.
El robot cuenta con 5 sensores ultrasónicos para la detección de objetos. La estructura es de aluminio y acrílico.
Figura 2. Robot móvil construido.
Los sensores ultrasónicos (Figura 3.a) son capaces de detectar objetos a distancias de hasta 8m. Este sensor emite impulsos ultrasónicos, estos se reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan según el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco. La ubicación de los sensores en el robot se muestra en la Figura 3.b.
Figura 3. a) Sensor Ultrasónico y b) Ubicación de los sensores ultrasónicos.
El conjunto de los elementos que se presentan en la Figura 4 constituyen los elementos necesarios para implementar el robot móvil, se realizó la etapa de control y comunicación mediante una tarjeta Arduino, la etapa de potencia se implementó con la tarjeta controladora de motores MD49, los
aceleración deseada para cada llanta independientemente y los sensores ultrasónicos son los elementos de detección que utilizamos. Para la alimentación del sistema se usan dos baterías de 12 volts conectadas en serie para obtener los 24 volts que requieren los motores, la tarjeta Arduino y los sensores se alimentan con una batería de 6 volts. La interacción de los elementos con el sistema se presenta a continuación. [4].
Figura 4. Elementos del sistema.
La estrategia que se siguió para la programación de los cinco sensores ultrasónicos se basó en el diagrama de flujo mostrado en la Figura 5, en la cual se observa la secuencia de pasos que se ejecutan dentro de la tarjeta de desarrollo Arduino, la variable que es tomada como parámetro para evadir los obstáculos es la distancia medida a través de los sensores ultrasónicos.
Dentro del diagrama de la Figura 5 está presente el bloque dedicado al algoritmo utilizado para la evasión de los obstáculos, su desarrollo fue a través de una serie de estados para explicar el funcionamiento de la activación de los sensores así como el sentido de giro de los dos motores, que proporcionan el par necesario a las llantas, y así producir la tracción necesaria para que el móvil se mantenga en movimiento. Como se mencionó a pesar de contar con tres ruedas solo se controlarán dos y la tercera es utilizada como un punto de apoyo.
Figura 5. Diagrama de flujo para el control de los motores.
Debido a que la velocidad nominal de los motores es de 122rpm y considerando las dimensiones de las llantas, se obtiene que a máxima velocidad el móvil se desplaza a 1.27m/s; debido a las características de respuesta de los sensores ultrasónicos no es conveniente utilizar dicha velocidad, por lo cual haciendo uso de los encoders incluidos en los motores se regula la velocidad del robot. Una vez concluida esta etapa se conecta la tarjeta de control de motores MD49 a la tarjeta Arduino a través de comunicación serial, lo cual nos da como resultado un sistema de robot móvil que detecte objetos cuando este en movimiento y posteriormente los esquive.
Finalmente, se procede al desarrollo de la programación para la detección y conteo de objetos de un color definido, en caso particular el color rojo, el cual se desarrolló con ayuda del software MatLab. Esta interacción se lleva a cabo mediante una PC portátil la cual irá montada sobre la plataforma del móvil para usar la cámara web que ya viene incluida en la computadora (Figura 6).
La estrategia propuesta para esta etapa se presenta en la Figura 6, en donde se describe la secuencia de programación para la detección de objetos rojos de acuerdo al estándar RGB (255,0,0), de la cual una de sus principales características es con base a la utilización de filtros digitales, para poder extraer el color rojo de las imágenes provenientes de la cámara WEB de la PC portátil, de acuerdo a la cantidad de pixeles que contenga la imagen se determina si es una lectura valida o no, posteriormente se incrementa un contador que almacena el número de objetos detectados. En primer lugar se inicializa la cámara Web, posteriormente se establece el tiempo de grabación, se extrae el color rojo de la imagen, se implementa un filtro para eliminar el ruido, también se define el número de pixeles que debe medir el objeto de color rojo detectado y finalmente se incrementa la cuenta.
Figura 7. Diagrama de flujo para la detección de objetos color rojo.
La interfaz de MatLab nos permite obtener el conteo de objetos de color rojo y observar dicho conteo después de que el móvil termine su recorrido. Una vez que se detecta un color rojo la cámara hace una captura de imagen, posteriormente se hace una pausa en el programa para que se incremente el conteo y para darle tiempo al robot para esquivar ese objeto detectado. En la figura 8 se observa la ventana de comandos de MatLab que nos indica que el sistema está listo y espera la autorización para iniciar el video y aquí mismo se observa cómo se va incrementando el conteo. En las figuras 9.a y 9.b se muestran algunos ejemplos de cómo se identifica el color rojo y cómo se hace la captura de la imagen.
Figura 8. Interfaz de usuario en MatLab.
Figura 9. a) y b) Imagen capturada al detectar un objeto de color rojo.
El programa desarrollado en MatLab es capaz de detectar otros colores no solo el color rojo, con modificaciones pequeñas se puede detectar diversos colores.
3. PRUEBAS AL SISTEMA
Las pruebas realizadas fueron con el objetivo de garantizar que el móvil no colisionaría al momento de interactuar con su entorno, de acuerdo al algoritmo de evasión de obstáculos y configurando la velocidad de los motores se lograron obtener buenos resultados, el móvil evade los obstáculos de acuerdo a su programación.
Con los resultados obtenidos de la aplicación del algoritmo de evasión de obstáculos se comprobó el programa para la detección y conteo de objetos de color rojo, en un principio se tuvieron un poco de dificultades para detectar dicho color en los objetos, debido a los diversos tonos que existen del color rojo, después de una serie de pruebas se encontró un tono adecuado de color con lo cual se lograron obtener resultados adecuados del conteo de objetos.
4. CONCLUSIONES
Dentro del desarrollo del sistema se encontraron amplios beneficios al utilizar la cantidad adecuada de sensores para lograr el objetivo de evadir los obstáculos, con los 5 sensores contemplados se ha logrado cubrir en gran medida las partes frontales y laterales del móvil, lo que incrementa las posibilidad de no tener alguna colisión. Adicionalmente, cabe destacar que gracias a la integración del encoder al motor es posible tener un control de velocidad adecuado. Los motores que se utilizaron alcanzan una velocidad de 1.2775 m/s pero para cumplir los objetivos de este proyecto, la velocidad se configuró para que el robot trabaje a una velocidad de 0.2 m/s.
Un aspecto importante de este robot es que su construcción se inició desde cero, se adquirieron los elementos independientemente y se construyó según las características que se deseaban. La estructura del robot es principalmente de aluminio, material que es estable, resistente y más ligero que algún otro material que se pudo haber utilizado. El costo al que asciende la construcción total del robot es de aproximadamente $8000 MN incluyendo los motores, los sensores, los neumáticos, toda la estructura y los dispositivos electrónicos.
El uso de una cámara de video es en ocasiones un trabajo que implica una inversión considerable, sin embargo los beneficios que conlleva su aplicación superan con creces esta desventaja, en este caso se utilizó la cámara web de una computadora con acceso a MatLab, esto confirmó que la detección de color es precisa y rápida, siempre y cuando se mantengan condiciones de luz adecuadas.
Se piensa que el ambiente de operación del robot puede ser un lugar cerrado y con una superficie plana y estable, para que el robot se mueva adecuadamente, estos lugares pueden ser escuelas, oficinas, almacenes, empresas e industrias. Respecto a las condiciones de luz, el robot no podrá trabajar en ambientes obscuros, se requiere cierta cantidad de luz para que la cámara y el programa en MatLab reconozcan el color rojo. Por otro lado, las baterías con las que el robot se alimenta tienen una duración de 7 a 8 horas de trabajo continuo y presentan la ventaja de ser recargables, esto quiere decir que el robot podrá trabajar continuamente por un tiempo aproximado de 6 a 8 horas y, posteriormente se podrán recargar las baterías para que el robot continúe trabajando.
Como se puede concluir, este trabajo todavía puede tener mejoras importantes, una de ellas es lograr una comunicación inalámbrica con la computadora en donde se tenga el programa de MatLab que hace el reconocimiento de colores y la cámara que se encontrará montada en el robot móvil.
5. AGRADECIMIENTOS
Este trabajo pudo ser escrito y desarrollado gracias al apoyo y colaboración de muchas personas entre ellas Lic. Gabriel Escamilla Reyes quien formó parte de la construcción del robot móvil. Agradecemos al posgrado en Ingeniería Electrónica, Opción en Instrumentación Electrónica, sobre todo al Laboratorio de Prototipos Mecatrónicos de la Facultad de Ciencias de la Electrónica, en
donde se nos proporcionó herramientas para la construcción, también una mención especial a la Dra. Luz del Carmen Gómez Pavón y al Dr. José E. Moisés Gutiérrez Arias quienes nos guiaron durante todo el desarrollo del proyecto.
6. REFERENCIAS
[1] Laeza, “Aspects on path planning form mobile robots” Reporte interno de la Techincal University of Cluj-Napoca, 2001.
[2] Robótica Móvil, Nelson Sotomayor, MSc, [En línea],
http://ciecfie.epn.edu.ec/Material/4toNivel/Robotica/Robotica%20Movil.pdf
[3] Articulo, “Diseño y Control de robots moviles”, Martha Aguilera, Miguel Bautista, Depto de ing. Electrica y Electronica, Instituto de Nuevo Laredo.
[4] Robot-Electronics, Devantech Ltd Maurice gaymer Road Attleborough Norfolk NR17 2QZ
Engalnd, http://www.robot-electronics.co.uk/htm/md49tech.htm.and a naphthoquinone.
