UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISPARO AUTOMÁTICO POR VISIÓN ARTIFICIAL
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
DANIEL EDUARDO ARROYO GARCÍA
DIRECTOR: DANIEL MIDEROS Ph.D
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1716539513
APELLIDO Y NOMBRES: Arroyo García Daniel Eduardo
DIRECCIÓN: Urb. Vista Grande, lote 31, dep. 4
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: N/A
TELÉFONO MOVIL: 0987733879
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Disparo automático por visión artificial
AUTOR O AUTORES: Arroyo García Daniel Eduardo
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
19 de mayo 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Mideros Mora Daniel Alejandro
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero en Mecatrónica
RESUMEN: Mínimo 250 palabras
DEDICATORIA
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN vi
ABSTRACT vii
1. INTRODUCCIÓN 2. MARCO TEÓRICO
2.1. SISTEMAS DE RASTREO DEL OBJETIVO QUE SE APUNTAN Y DISPARAN AUTOMÁTICAMENTE MEDIANTE
SENSORES 6
2.2 SISTEMAS DE DISPARO CONTROLADOS
REMOTAMENTE 11
2.3 VISIÓN ARTIFICIAL 16
3. METODOLOGÍA
3.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA 19
3.1.1 AMBIENTE CONTROLADO 20
3.1.2 BLANCO 20
3.1.3 MODOS DE FUNCIONAMIENTO 21
3.2 PROTOCOLO DE PRUEBAS 22
4. DISEÑO
4.1 DISEÑO CONCEPTUAL 25
4.2 DISEÑO ESPECÍFICO 27
4.2.1 SELECCIÓN DE COMPONENTES 27
4.2.2 DISEÑO ELECTRÓNICO 30
4.2.3 DISEÑO DE LA INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA 31
4.2.4 DISEÑO DE LA BASE Y SOPORTE 32
4.2.5 RANGO DE FUNCIONAMIENTO 34
4.2.7 CÓDIGO DE CONTROL 36
4.2.8 PROGRAMACIÓN DE ROBOREALM 36
4.2.9 COMUNICACIÓN MICROCONTROLADOR Y
PROGRAMA DE VISIÓN ARTIFICIAL 41
4.3 SIMULACIÓN 41
4.4 PROTOTIPO 44
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS
5.1 RESULTADOS MODO MANUAL 46
5.2 RESULTADOS MODO AUTOMÁTICO CON GATILLO
BLOQUEADO 46
5.3 RESULTADOS MODO AUTOMÁTICO CON GATILLO
DESBLOQUEADO 47
6. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES 49
RECOMENDACIONES 51
iii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA Tabla 1.Comparación entre Arduino Uno y Mega 28
Tabla 2.Resultados de las pruebas del modo manual. 46
Tabla 3. Resultados de las pruebas del modo automático con
gatillo bloqueado. 47
Tabla 4. Resultados de las pruebas del modo automático con
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA Figura 1. Resultados de la encuesta del uso de robots en las
fuerzas del orden. 6
Figura 2. “Mini turret kit” a la izquierda, “Heavy turret kit” a la
derecha de RealSentryGun. 7
Figura 3. Un Sistema “Sentry Gun” de bajo costo con sensor
infrarrojo. 8
Figura 4.Configuración del sistema “FAST”. 9
Figura 5.“Phalanx Close-In Weapon System”. 10
Figura 6. Vehículo digital Vanguard remotamente controlado
(ROV). 11
Figura 7. Sistema robótico armado modular avanzado
(MAARS) de QinetiQ. 12
Figura 8. Estación armada controlada remotamente (ADUNOK)
de “Display “Design Ofice” OJSC. 13
Figura 9. ANDROS F6B con una escopeta montada de
Remotec. 14
Figura 10. SAMSON Dual RWS de Rafael Advanced Defense
Systems LTD. 16
Figura 11. Toplite EOS de Rafael Advanced Defense Systems
LTD. 16
Figura 12.Arma de fuego TrakingPoint con precisión guiada. 17
Figura 13.Arquitectura de la plataforma de visión estéreo. 18
Figura 14.Metodología de diseño Mecatrónico: Modelo en V. 19
Figura 15.Diseño conceptual inicial del prototipo. 25
Figura 16.Diagrama electrónico del sistema. 31
Figura 17.Elementos de la interfaz hombre máquina. 32
Figura 18.Diseño de la base del prototipo. 33
Figura 19.Diseño parante del prototipo. 33
Figura 20.Acople de base y parante del prototipo. 34
v
Figura 22.Herramientas de RoboRealm utilizadas. 37
Figura 23.Diagrama de flujo de la lógica de control. 40
Figura 24.Conexión para la simulación del prototipo. 42
Figura 25. Diagrama de flujo de la lógica de control de la
simulación. 43
Figura 26.Simulación del prototipo. 44
RESUMEN
vii
ABSTRACT
1 En el caso de los servicios de seguridad física, en cuanto a la seguridad y salud ocupacional, existen diversas fuentes de riesgos a los cuales se ven expuestos los empleados, clasificados internacionalmente en: físicos, mecánicos, químicos, biológicos, ergonómicos, psicosociales y ambientales. Los guardias de seguridad se encuentran constantemente bajo la amenaza de emergencias en las que su vida esté en riesgo, debido a que los actos delictivos conllevan violencia por parte de los agresores, al utilizar la fuerza o armas, echo al cual los guardias de seguridad deberán atender exponiendo su integridad física. En caso de que resulte lesionado un agente de seguridad, los daños se extienden más allá de la tragedia que esto significa, discapacidad, muerte, etc. También se ven afectados tanto administradores como los dueños de las empresas que brindan estos servicios, en el ámbito humano, emocional, social, legal, económico, etc. Que puede resultar en gravísimas consecuencias como la cárcel para funcionarios e indemnizaciones que pueden acabar con la empresa. Sin embargo, el riesgo siempre estará presente al ser necesario garantizar la seguridad de los dependientes (Muete, 2013). El objetivo de un guardia de seguridad será siempre el de proteger a los dependientes o a cualquier persona que se encuentre en las instalaciones, así como a los bienes existentes, de cualquier hecho que altere el orden, siendo agentes preventivos de actos delictivos (Marín Contreras, s.f.).
peligro de pérdidas de vida humana o peligro de lesiones graves, será de gran utilidad, debido a que actualmente existen reglamentos de seguridad ocupacional cada vez más estrictos y de carácter obligatorio en los que prevalece la integridad de los trabajadores por sobre cualquier otro factor. Por lo tanto, no solo moralmente sino que legalmente las empresas están obligadas a garantizar la integridad física de sus empleados, muchas veces volviendo inviable dicha actividad, ya que mientras la presencia humana sigua siendo necesaria el riesgo existirá.
El objetivo del presente trabajo de titulación es:
Diseñar y construir un sistema que realice el disparo automático de un proyectil a un objeto en movimiento utilizando visión artificial
Para el cual se plantean los siguientes objetivos específicos:
Elaborar el programa de interpretación de movimiento por visión artificial.
Simular el mecanismo de disparo.
Diseñar el sistema de control del mecanismo de disparo. Realizar pruebas para validar el sistema.
Cada objetivo específico define cada elemento fundamental que debe ser elaborado para la realización del sistema de disparo automático por visión artificial.
3 Dentro del diseño, se seleccionaron los distintos componentes necesarios: se utilizó servomotores como actuadores, una cámara web para captar imágenes, interruptores, pulsadores y una palanca de mando para la interfaz hombre máquina, una pistola manual de balines calibre 6 mm con un puntero láser incorporado para el disparo al objetivo, un microcontrolador Arduino Mega para comunicación y control de actuadores e interruptores y el software RoboRealm para la visión artificial. Además se diseñó y construyó una base sobre la cual se asienta el prototipo, la que contiene todos los elementos electrónicos resguardados, también se realizó el diseño eléctrico para el control y un correcto funcionamiento de la interfaz hombre máquina y actuadores.
En el programa de interpretación de movimiento se desarrolla dentro del software RoboRealm utilizando herramientas propias para la identificación del objetivo, eliminación de ruido, obtener posiciones de objetivo y laser, procesar la imagen y realizar la comunicación serial con el microcontrolador. La lógica de control se desarrolla paralelamente al programa de interpretación de movimiento en la herramienta de RoboRealm CScript_Program que permite la programación en C.
Se simuló el movimiento de los actuadores y de la interfaz hombre máquina con un software de diseño y simulación de circuitos eléctricos, se ingresa el microcontrolador Arduino al programa y se realizan las conexiones de la interfaz hombre máquina de idéntica manera a la real con botones, pulsadores, actuadores y palanca de mando, se simulan los datos recibidos del programa de visión artificial manualmente, verificando el movimiento de los motores, además se prueba que funcionen correctamente todos los elementos de la interfaz hombre máquina.
Actualmente existen gran cantidad de proyectos similares al que se pretende realizar en este trabajo de titulación, con el fin de eliminar el riesgo de pérdida de vidas humanas en el aspecto militar, de seguridad nacional, de las fuerzas de orden público o simplemente como hobby y diversión, se clasificarán 2 tipos de sistemas de disparo: Los sistemas de rastreo del objetivo que se apuntan y disparan automáticamente mediante sensores, sin necesidad de intervención del ser humano, cuya traducción al inglés es “Sentry gun” y su traducción al español parece imprecisa “arma centinela”, y los sistemas de disparo que son controlados remotamente por un operador con un mando con el cual se envían las instrucciones al sistema. Otro tipo de sistemas relevantes en cuanto al desarrollo de esta tecnología, distintos a los mencionados anteriormente, también se expondrán.
6
Figura 1.Resultados de la encuesta del uso de robots en las fuerzas del orden.
(Varanelli, 2010)
2.1. SISTEMAS DE RASTREO DEL OBJETIVO QUE SE
APUNTAN Y DISPARAN AUTOMÁTICAMENTE MEDIANTE
SENSORES
El rastreo de objetivos puede ser logrado de distintas maneras, de los más efectivos actualmente, el procesamiento de imágenes captadas por una cámara en tiempo real y un rastreo por LIDAR (Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Raging) por sus siglas en inglés, el sistema consiste en enviar pulsos de luz hacia una superficie utilizando un láser con el objetivo de que se refleje nuevamente hacia la fuente de luz, se mide el tiempo de retraso desde la emisión hasta la detección del pulso y se calcula la distancia del objetivo. Sin embargo, los dos métodos requieren de una gran capacidad de procesamiento o de sensores costosos (Shue, Hargrove, & Conrad, 2012).
turret kit” se los puede observar en la Figura 2. Buscan hacer del paintball un juego más realista y entretenido. Estos sistemas funcionan con un software desarrollado por la empresa v1.0 en febrero del 2009 y ha sido constantemente actualizado hasta a versión v2.6.1, sus actuadores son servomotores Hitec Hs-645MG acoplados a engranes reductores, el sensor es una cámara digital que enfoca y aumenta la resolución del video al momento de tener un objetivo válido en la imagen. Esta empresa recomienda a quien quiera desarrollar un sistema de este tipo, realizar las pruebas en escenarios controlados y partir de ahí para ir perfeccionando la puntería y el falso reconocimiento de objetivos (RealSentryGun, 2015).
Figura 2.“Mini turret kit” a la izquierda, “Heavy turret kit” a la derecha de RealSentryGun.
(RealSentryGun, 2015)
8 el arma que pueda realizar un movimiento de abanico y los demás elementos periféricos del sistema. Se analizó el control del robot, con los módulos disponibles para Arduino con tecnología bluetooth conectada a Android de manera sencilla o gracias al módulo Xbee por wireless, esto produce un importante problema en el desarrollo del proyecto, ya que el algoritmo de rastreo del objetivo no soporta el movimiento, razón por la que el sistema posee 2 estados o modos: el modo de rastreo y disparo automático, y el modo controlado por el usuario. La fuente de la cual se alimentan todos los elementos del sistema es una batería de plomo ácido con capacidad de 5Ah debido a las necesidades de energía del sistema, con excepción del Arduino que es alimentado con una batería común de 9V. El funcionamiento del código o del programa en el modo automático comienza con un movimiento inicial de 50 grados frente al robot guardando los parámetros adquiridos por el sensor en cada grado y guardándolos en un arreglo, se entiende que la primera lectura será un entorno vacío es decir sin ningún objetivo u objeto en movimiento, posteriormente se realizan continuos movimientos de 50 grados comparando los valores iniciales adquiridos con los nuevos, el momento que existe una diferencia drástica entre los datos, el arma se posiciona en ese ángulo y dispara, el arma seguirá el movimiento del objetivo conforme se mueva en el rango de acción del sensor (Shue, Hargrove, & Conrad, 2012).
Figura 3.Un Sistema “Sentry Gun” de bajo costo con sensor infrarrojo.
El equipo de “Turret Trackers Design Team” se propuso analizar la viabilidad del concepto de una torreta totalmente autónoma con sensores creando un prototipo “Fully Autonomous Sentry Turret” (FAST). Se compone de una cámara estándar conectada a una computadora comercial con el software de visón artificial para el rastreo de movimiento “AForge.Net” con la librería de visión por computadora, la información obtenida de las imágenes capturadas se procesa para controlar el movimiento de una serie de servomotores que alinean un arma y disparan al lugar en el que se produce el movimiento, para el desarrollo del prototipo, no se utilizó un arma de fuego real, se utilizó un láser de baja potencia para simular el disparo. El prototipo es capaz de proteger una posición determinada de enemigos que se acerquen por un ángulo específico, razón por la que el uso interior en instalaciones es óptimo. También el sistema es capaz de identificar personal de seguridad por lo que las personas autorizadas pueden cruzar frente al dispositivo de manera segura. Dentro de las especificaciones técnicas del dispositivo encontramos que tiene un rango efectivo de 40 pies, posee un rango de visión de 65 grados y realiza el disparo en un tiempo menor que 1 segundo. El costo del desarrollo del prototipo fue de $ 1893.50, en comparación con sistemas militares existentes como “The Phalanx CTWS” que tiene un peso de 14500 [lb] y un costo de $ 5 millones. La configuración del sistema se puede observar en la Figura 4 (Croom, Neas, Ogidi, & Joleon, 2010).
Figura 4.Configuración del sistema “FAST”.
10 Los componentes relevantes utilizados son:
1 Microsoft LifeCam VX-1000 cámara web 2 Hitec HS-645MG Super Torque Servo motor 1 Hitec SPT200, para el sistema de movimiento 1 Arduino Duemilanove
La empresa Raytheon es líder en tecnología e innovación especializada en defensa, gobierno civil y seguridad informática, abarcando mercados a nivel mundial, tiene 92 años de experiencia y ventas de $ 22.8 billones en 2014, provee de elementos electrónicos, sistemas integrados para misiones y posee amplia experiencia en las áreas de sensores, efectos, comando, control, comunicación y sistemas de inteligencia así como soporte técnico para todas sus armas. El “Phalanx Close-In Weapon System”, es un arma de disparo rápido, controlada por computadora y guiada por radar, es principalmente una defensa anti misiles, cohetes y otras amenazas de superficie, el “Phalanx” es parte del sistema de armamento estadounidense instalado en todas embarcaciones de combate de Estados Unidos y de sus 24 naciones aliadas, se utiliza para detectar y destruir rondas de misiles antes de que alcancen sus objetivos. Es un sistema integrado con múltiples funciones usualmente realizadas por múltiples sistemas, búsqueda, detección, análisis de la amenaza, rastreo y destrucción, además posee un sensor infra rojo que le permite ser usada contra helicópteros y aviones ultra ligeros no tripulados de alta velocidad, en la Figura 5 se puede observar al “Phalanx Close-In Weapon System” de Raytheon (Raytheon Company, 2015).
2.2
SISTEMAS
DE
DISPARO
CONTROLADOS
REMOTAMENTE
La empresa Allen Vanguard es líder en proveer soluciones para derrotar al terrorismo y amenazas extremistas, incluye entre sus soluciones sistemas radio controlados y vehículos operados remotamente, el vehículo digital Vanguard remotamente controlado (ROV) que se observa en la Figura 6, es uno de los productos que ofrece esta empresa. Existe la opción de montar un arma de fuego sobre el brazo robótico del ROV, que funciona controladamente por un operador, el arma posee 2 dispositivos laser alineados paralelamente al cañón que se encienden una vez que se lo utilice, y una cámara exclusiva. Remotamente el operador en una computadora puede obtener las imágenes en tiempo real, puede activar el arma y apuntarla gracias a los punteros laser reflejados en la imagen. El ejército colombiano actualmente utiliza el ROV de Vanguard con este accesorio para combatir el narcotráfico (Allen Vanguard Corporation, 2015).
Figura 6.Vehículo digital Vanguard remotamente controlado (ROV).
(EPE, 2013)
12 QinetiQ es una empresa norteamericana que ha desarrollado tecnología por más de 50 años para los mercados de seguridad y defensa de todo el mundo, con el fin de salvar vidas y manejar situaciones críticas, entre sus múltiples productos operados remotamente encontramos diversos tipos de pequeños vehículos terrestres como el “Talon”, en sus 5 diferentes versiones, y el “Dragon Runner”, incluso han modificado el mini montacargas Bobcat T110 y venden kits de fácil y rápida instalación para convertirlos en vehículos controlados remotamente, se han adaptado distintos accesorios al Bobcat T100 para darle distintas aplicaciones como la de despejar campos minados. El sistema robótico armado modular avanzado (MAARS) por sus siglas en inglés se puede observar en la Figura 7, está diseñado para misiones de reconocimiento, vigilancia e identificación de objetivos, puede ser posicionado en lugares remotos donde la seguridad de las personas se ve comprometida, manteniendo a salvo a los soldados a una distancia segura del fuego enemigo, además posee un sistema de disparo de arma de fuego, múltiples cámaras para el día y la noche, sensores de movimiento, micrófono, parlante, alarma, entre otros. Todos los productos remotamente controlados de QinetiQ se controlan con el controlador táctico de robots (TRC) además de ser compatible con distintos vehículos de diferentes compañías (QinetiQ, 2015).
Figura 7.Sistema robótico armado modular avanzado (MAARS) de QinetiQ.
“Display “Design Ofice” OJSC, es una empresa fundada en 1987 ubicada en la República de Bielorrusia, posee más de 10000 m2 de instalaciones para la ingeniería y manufactura de dispositivos de alta calidad que operan en condiciones severas, uno de los nuevos rumbos que ha tomado la compañía es el diseño y producción de estaciones armadas controladas remotamente (ADUNOK), estas son unidades autónomas de combate equipadas con armas de fuego y cámaras de video capases de identificar y rastrear un blanco en movimiento, las estaciones ADUNOK pueden ser montadas sobre estructuras fijas o sobre cualquier vehículo móvil como carros, tractores, tanques, barcos hasta pequeños vehículos controlados remotamente, se puede acoplar distintos tipos de armas como lanzagranadas o metralletas. El objetivo principal es defender a los soldados manteniéndolos lejos del fuego enemigo mientras las estaciones armadas son movilizadas lo más cerca posible del enemigo para destruir a los objetivos. En la Figura 8 se puede observar la ADUNOK, posee múltiples cámaras que transmiten las imágenes a una computadora para ser visualizadas por el operario en tiempo real, el movimiento y disparo del arma se realiza a través de un joystick conectado a la computadora, también existe la opción de apuntar automáticamente al blanco en movimiento ya que las cámaras identifican y rastrean al objetivo, adicionalmente se puede programar patrones de disparo para que el arma repita un ciclo de movimientos disparando en los puntos que se desea (ADUNOK, 2015).
Figura 8.Estación armada controlada remotamente (ADUNOK) de “Display “Design Ofice” OJSC.
14 La empresa Remotec, subsidiaria de Northrop Grumman Corporation, posee más de 30 años diseñando y produciendo vehículos terrestres no tripulados, la serie “Andros” entre ellos, el objetivo de la empresa se ve reflejado en su slogan “Manteniendo el peligro a distancia”, el cual describe perfectamente la intención de sus productos, todos los vehículos no tripulados cumplen con la norma ISO 9001:2008. Provee de una amplia gama de accesorios según las necesidades del cliente, entre los cuales se encuentra una escopeta Franchi 612 modificada que se puede acoplar al brazo robótico como se puede observar en la Figura 9, además posee múltiples herramientas y sensores. Para realizar el disparo, el brazo es controlado remotamente por un operador, el cual en una computadora visualiza las imágenes obtenidas en tiempo real por una cámara acoplada al arma, para determinar la dirección del disparo se puede acoplar también un láser que será visualizado en las imágenes captadas por la cámara, otro accesorio es un filtro láser que permitirá visualizar al puntero en entornos donde existe mucha luz (Northrop Grumman, 2012).
Figura 9.ANDROS F6B con una escopeta montada de Remotec.
16
Figura 10.SAMSON Dual RWS de Rafael Advanced Defense Systems LTD.
(Rafael Advanced Defense Systems Ltd., 2010)
Figura 11.Toplite EOS de Rafael Advanced Defense Systems LTD.
(Rafael Advanced Defense Systems Ltd., 2010)
2.3 VISIÓN ARTIFICIAL
computadoras (Somolinos Sánchez, 2002). El objetivo de la visión artificial es la extracción de información a partir de imágenes del mundo físico, utilizando una computadora para ello, si bien es un objetivo ambicioso y complejo, se encuentra en una etapa primitiva actualmente (Vélez, Moreno, Sánchez, & Sánchez-Marín, 2003).
La empresa TrackingPoint busca mejorar el desempeño de las personas para disparar a grandes distancias, por esta razón crearon armas de fuego con precisión guiada, que pueden mejorar el rango efectivo de disparo del tirador promedio, de hecho se pueden realizar disparos sin necesidad de apuntar de la manera tradicional, es decir observando y calculando mentalmente las variables balísticas. Para realizar un disparo, se identifica el objetivo a través de la mira telescópica y se procede a presionar el botón rojo que se encuentra alado del gatillo como se puede observar en la Figura 12, para marcar al objetivo, una vez determinado el objetivo, se calculan automáticamente todas las variables relacionadas al disparo, velocidad del objetivo, velocidad del viento, la caída del proyectil producto de la distancia, entre otras, gracias a sensores acoplados al arma. Las imágenes son transmitidas por wifi a cualquier teléfono, televisor o dispositivo inteligente, y se bloquea el gatillo, el tirador puede dar la espalda al objetivo, observar la mira telescópica a través de su teléfono inteligente a manera de videojuego moviendo el arma hasta que se encuentre en la posición correcta, momento en el que se da la señal de disparo y se desbloquea el gatillo. El costo de los productos que ofrece TrackingPoint va desde los $ 7500 para el arma más básica hasta los $ 27500 (TrackingPoint, 2015).
Figura 12.Arma de fuego TrakingPoint con precisión guiada.
18 Se han realizado distintos proyectos con el fin de controlar brazos robóticos por medio de la visión artificial. La tesis doctoral de Marco Moreno nos muestra la aplicación del control de un brazo robot con visión artificial estero, con aplicación en industria para la automatización. Utiliza la configuración que se muestra en la Figura 13, con 2 cámaras análoga-digitales fijas para la visión estéreo con capacidad de cubrir áreas de 1.5 x 2 [m] aproximadamente en distancias de 2 [m]. Además se utiliza otra rama de la inteligencia artificial, la lógica difusa, para el control del brazo robótico, programada en lenguaje Borland C++. Si bien el brazo utiliza un lenguaje de programación RAPL-II, el controlador C 550C se encarga de la coordinación de los movimientos de las articulaciones del robot. Para su funcionamiento, se realiza una conversión de pixel a centímetro, convirtiendo el número de pixeles de la imagen en distancia real mediante una serie de experimentos, considerando que las cámaras se encuentran fijas. Se calcula la posición en el espacio, gracias a las 2 cámaras de video, mediante algoritmos complejos que toman en cuenta las posiciones físicas de los componentes. Finalmente se obtiene las coordenadas del objeto y se calculan los movimientos del manipulador robótico (Moreno, 2003).
Figura 13.Arquitectura de la plataforma de visión estéreo.
19 El desarrollo del proyecto se plantea de acuerdo a la metodología de diseño mecatrónico del “modelo en V” que se peresenta en la Figura 14, se comenzó identificando los requerimientos del sistema para posteriormente realizar un diseño conceptual, despues se procede al diseño específico de los distintos elementos. Finalmente se integraran todos los elementos en un prototipo funcional.
Figura 14.Metodología de diseño Mecatrónico: Modelo en V.
(Verein Deutscher Ingenieure, 2004)
3.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
3.1.1 AMBIENTE CONTROLADO
Al ser el proyecto un prototipo, se realiza la validación del sistema en un ambiente controlado, con el fin de limitar las variables que se presentan y facilitar la verificación del funcionamiento del sistema.
Objetos
El ambiente controlado tiene la menor cantidad de objetos que puedan entorpecer el procesamiento de las imágenes reduciendo la necesidad de capacidad de procesamiento del computador y por lo tanto reduciendo los tiempos de reacción del sistema, además se evitan otro tipo de errores como disparos errados a objetos que no son el objetivo. El ambiente controlado posee un fondo blanco a la distancia máxima de operación del sistema, por lo que la cámara unicamente recive imagenes de un fondo blanco en el cual se mueve el objetivo.
Fuente de luz
El prototipo no posee una fuente de luz para que la cámara web pueda captar imágenes, por lo que el ambiente de pruebas posee una fuente de iluminación externa. La iluminación es constante y controlada debido a que la visión artificial es sensible a la intensidad de luz que reflejan los objetos, muchas veces causando errores en el procesamiento de imágenes al variar los colores de acuerdo a la iluminación. Esto permite calibrar el sistema de una óptima manera.
Viento
Se evita la desviasión del proyectil producto del efecto del viento en un ambiente cerrado.
3.1.2 BLANCO
21
Velocidad del objeto en movimiento
Estudios se han realizado en cuanto a la velocidad de las personas, el principal problema al determinar una velocidad promedio humana es definir los parámetros de anális, ya que depende de ellos los resultados obtenidos, por ejemplo no es la misma velocidad promedio en una carrera de 100 metros planos que de una carrera de 15 kilómetros, o a su vez la velocidad de caminar, correr o trotar. Si bien el record mundial de 100 metros planos es de Usain Bolt con 9.58 [s], la velocidad maxima de 12.34 [m/s] la alcanza en los primeros 68 metros (Burfoot, 2014). Se considera la velocidad maxima del objetivo como la velocidad promedio de una persona promedio de 3.8 [m/s] según un estudio realizado en la unversidad de Ohio (Long & Srinivasan, 2012).
Tamaño del objeto
El objetivo tiene el tamaño del torso de una persona promedio, según tablas de tamaños de camicetas el torso medio mide entre 0.96 y 1.01 [m] (ASOS, 2016), considerando que la cámara web únicamente podra observar la imagen desde un único ángulo, el tamaño del objeto de 0.4 x 0.4 [m] de largo y ancho se usa.
Distancia máxima y ángulo de disparo
La distancia máxima a la cual se mueve el objetivo para la validadción del sistema es de 5 [m]. Los ángulos al los cuales se realiza el disparo estan definidos por el tamaño de la imgen que pueda obtener la cámara web.
3.1.3 MODOS DE FUNCIONAMIENTO
funcionando pero no se realiza ningún disparo, y un switch de apagado con el cual se desconecta todo el sistema.
3.2 PROTOCOLO DE PRUEBAS
El protocolo de pruebas se realiza con el fin de validar el correcto funcionamiento del prototipo, cumpliendo con todos los requerimientos. Consta de distintas pruebas de acuerdo a cada modo de funcionamiento.
Modo manual
En el modo manual se verifica que el mando del prototipo funcione adecuadamente, se realiza la siguiente prueba:
1. Una vez encendido el prototipo se inicializa y se coloca en modo manual. 2. Se mueve la palanca de mando hacia las distintas direcciones
alternadamente.
3. Se verifica que el movimiento realizado sea el esperado con cada posición de la palanca de mando.
4. Se acciona el interruptor de bloqueo del gatillo en para ponerlo en modo bloqueado.
5. Se verifica que no se realice el disparo.
6. Se acciona nuevamente el interruptor de bloqueo del gatillo en modo desbloqueado.
7. Se presiona el botón de disparo. 8. Se verifica que realiza el disparo.
El prototipo debe reaccionar de acuerdo a lo indicado en la interfaz hombre máquina, en cada movimiento de la palanca de mando y botón de disparo, para que el resultado sea satisfactorio, se accionará cada movimiento 2 veces alternadamente y se evidenciará el movimiento.
23
Modo automático con gatillo bloqueado
En el modo automático con el gatillo bloqueado se verifica que el prototipo realice los movimientos esperados de apuntar el arma hacia el objetivo y que el algoritmo de predicción de movimiento funcione adecuadamente, es decir que realice el primer movimiento, apuntando en dirección del punto por el cual se predice se moverá el objetivo, para proseguir con su seguimiento durante el movimiento. Se realiza la siguiente prueba:
1. Una vez encendido el prototipo se inicializa y se coloca en modo automático con el gatillo bloqueado.
2. Se mueve un objetivo hasta que entre en el rango de funcionamiento del prototipo desde distintas direcciones, arriba, abajo, izquierda, derecha y diagonales.
3. Se verifica que el arma realice el movimiento hacia el punto de predicción de movimiento.
4. Se verifica que después del primer movimiento, el arma realice el seguimiento del objetivo.
5. Se verifica que el arma permanezca quieta una vez que se encuentre apuntando al objetivo.
El prototipo debe reaccionar de manera adecuada a todas las direcciones en las que entra el objetivo a la imagen, realizando el movimiento en base al algoritmo de predicción de movimiento, se evidencia el movimiento realizado por el puntero laser que identifica la posición a la que se ha movido, se evaluará cada movimiento 2 veces alternadamente.
En este modo se evalúa que los movimientos del prototipo sean los deseados, el puntero láser identificará el lugar al cual se encuentra apuntando el arma. Para que la prueba sea satisfactoria el prototipo debe reaccionar de manera adecuada a cada movimiento realizado.
Modo automático con gatillo desbloqueado
1. Una vez encendido el prototipo se inicializa y se coloca en modo automático con el gatillo desbloqueado.
2. Se mueve un objetivo hasta que entre en el rango de funcionamiento del prototipo desde distintas direcciones.
3. Se verifica el acierto del proyectil en el blanco. 4. Se repite la prueba 20 veces.
5. Se tabula los resultados.
6. Se determina el porcentaje de aciertos. 7. Se repite la prueba a diferentes distancias.
4.1 DISEÑO CONCEPTUAL
Se divide el sistema de acuerdo a sus sub sistemas fundamentales con el fin de identificar componentes y características necesarias para un funcionamiento integrado del prototipo, se identifican los elementos que deben ser diseñados, seleccionados o elaborados.
La configuración del concepto inicial del sistema se muestra en la Figura 15.
Figura 15.Diseño conceptual inicial del prototipo.
Captura de imágenes
26
Procesamiento de imágenes
Se selecciona un software especializado en visión artificial para el procesamiento de imágenes, que se ejecuta en una computadora portátil, adquiriendo las imágenes captadas por la cámara web y transformándolas en información útil para el control del sistema. Se debe elaborar el programa para el procesamiento de imágenes que identifica y rastrea al objetivo.
Código de control
Se elabora un programa de interpretación de movimiento utilizando el software de visión artificial, teniendo en cuenta el microcontrolador y actuadores seleccionados. Las señales enviadas a los actuadores dependen de un código de control que realiza la lógica para poder apuntar el arma con la información obtenida del procesamiento de imágenes.
Microcontrolador
Se selecciona un microcontrolador para el control de los actuadores y que sea factible la comunicación con el software de visión artificial. El micro controlador recibe los datos del código de control y envía señales a los actuadores para que realicen el movimiento necesario. Además, el microcontrolador soporta la interfaz hombre máquina que permite la selección del modo de funcionamiento del sistema y el control manual del prototipo.
Mecanismo
Se diseña los componentes mecánicos del sistema en concordancia con los componentes seleccionados. Se deben seleccionar los actuadores que controlaran la posición del arma, uno en el eje x y otro en el eje y, formando un mecanismo con 2 grados de libertad que permite al sistema apuntarse hacia el objetivo. Otro actuador acciona el gatillo para el disparo. El arma además posee un láser que identifica el punto al que se apunta el arma.
Interfaz hombre-máquina
encendido y apagado del sistema, bloqueo de seguridad de disparo y selección de modo de funcionamiento, además posee una palanca de mando para el control manual.
4.2 DISEÑO ESPECÍFICO
En esta sección se diseña en detalle, en un aspecto técnico, los distintos componentes que va a contener el prototipo, es decir los elementos a detalle que permiten su construcción y funcionamiento, se identifica los componentes electrónicos y su conexión, actuadores, sensores, elementos de la interfaz hombre máquina, palanca de mando e interruptores, y microcontrolador. También se realiza y explica el código de control y las herramientas de visión artificial utilizadas, el funcionamiento del programa y el diseño en 3D del prototipo.
4.2.1 SELECCIÓN DE COMPONENTES
Se selecciona los componentes de acuerdo a criterios de funcionamiento adecuado para el prototipo, compatibilidad con el sistema, disponibilidad en el mercado y costo.
Microcontrolador
Para la selección del microcontrolador se considera primordialmente la compatibilidad con el resto del sistema. El Software de visión artificial RoboRealm posé una interfaz de comunicación con las placas Sparkfun Uno y Mega de Arduino, además sus respectivos códigos de comunicación son de acceso libre y pueden ser descargados de la página oficial de RoboRealm. Las características de las dos tarjetas se puede observar en la Tabla 1.
Se utiliza el microcontrolador Arduino Mega debido a la mayor capacidad de procesamiento y demás características favorables que presenta para el desarrollo del proyecto, entre las que encontramos:
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Tabla 1.Comparación entre Arduino Uno y Mega
Nombre Procesador Voltaje entrada/ operación Velocidad CPU Análogas In/Out Digitales ÍO/PWM Mega ATmega2560 5 V / 7-12 V 16 MHz 16/0 54/15
Uno ATmega328P 5 V / 7-12 V 16 MHz 6/0 14/6
EEPROM
[kB] SRAM [kB]
Flash
[kB] USB UART
Mega 4 8 256 Regular 4
Uno 1 2 32 Regular 1
Librerías para el uso de teclados matriciales.
Librerías para el manejo de comunicación serial con la computadora Bajo costo.
Disponible en cualquier tienda de electrónica. 256 kb de memoria flash.
Disponibilidad de pines para conexión de entradas y salidas digitales PWM.
Disponibilidad de pines para conexión de entradas análogas. Software libre.
Interfaz de comunicación con el software de visión artificial seleccionado.
Cámara web
Se utiliza una cámara web de bajo costo marca Gigaware con resolución de video de 1.3 megapíxeles (1280 x 1024), resolución de fotografías fijas de 5.2 megapíxeles (2560 x 2048), y conexión mediante USB con la computadora. Es compatible con el software de visión artificial seleccionado y no requiere de controladores adicionales instalados al ser del tipo “plug and play”.
Actuadores
rotación con altas velocidades. En comparación el servo motor posee las ventajas de que es de fácil control por la computadora, tiene un bajo consumo de energía y se puede usar en operaciones de alta velocidad, que es fundamental para el proyecto, además si se aumenta la carga, el controlador aumentará la intensidad de corriente para mantener la rotación, sin embargo, en general, son más costosos que los motores de paso y no son convenientes para el control de precisión de la rotación (Salamanca Pachón, 2009).
Se utilizarán servo motores de bajo costo marca Hitec modelo HS-311 estándar con las siguientes características principales:
Control por modulación del ancho de pulso. Voltaje de operación: 4.8 [V] - 6.0 [V].
Velocidad de operación: 60°/0.19 [s] @ 4.8 V y 60°/0.15 [s] @ 6.0 [V]. Torque: 3.0 [kg/cm] @ 4.8 [V] y 3.7 [kg/cm] @ 6.0 [V].
Software de visión artificial
El software especializado para la visión artificial es “RoboRealm vision for machines”, debido a las facilidades que presenta para el desarrollo del proyecto, entre las que encontramos:
Librerías para detección de movimiento, colores y formas. Librerías para filtrado de imágenes.
Permite la comunicación serial.
Permite la programación de la lógica de control dentro del mismo programa.
Permite la adquisición de imágenes de cualquier cámara de video conectada a la computadora.
Posee una licencia de prueba gratis con todas las funciones requeridas para el sistema.
Facilidad de comunicación con el microcontrolador seleccionado.
30
Arma
Para el prototipo no se utiliza un arma de fuego con capacidad de neutralizar una amenaza real, ya que el prototipo únicamente debe probar la
funcionalidad del sistema acertando al blanco con un proyectil, se utiliza un
arma de balines calibre 6 [mm] SP3855-F manual, con puntero láser
incorporado, por la facilidad que brinda y además la experimentación con ésta no supone ningún riesgo, al prototipo se pueden adaptar además
cualquier tipo de arma semiautomática o automática, de fuego o de aire, que
en este caso permitirían el disparo de múltiples proyectiles aumentando la probabilidad de acierto en el blanco. La misma lógica de control puede ser
utilizada para apuntar cualquier tipo de arma que se acople al mecanismo y
sea soportada por los actuadores.
Palanca de mando
Se selecciona una palanca de mando RB-Plx-234 # 27800 (Joystick) de dos
ejes análogos de 5 [V] con retorno al centro por resorte para el control de los movimientos del prototipo.
Interruptores
Para el disparo manual se selecciona un pulsador SW-731 RD de color rojo, redondo, de dos patas y con tuerca. Para los interruptores de encendido y
apagado, selección de modo y bloqueo del gatillo, se selecciona un
interruptor SWI0286 de palanca de 1 polo, 1 tiro, 2 posiciones, de 6 [A] y 125
[V] tipo encendido y apagado “On Off”.
4.2.2 DISEÑO ELECTRÓNICO
datos y los cables para alimentación y control de actuadores se envían por otro bus. La Interfaz hombre máquina contiene todos los botones e interruptores para el control del prototipo, así como la palanca de mando.
Figura 16.Diagrama electrónico del sistema.
Los 3 actuadores que realizan los movimientos del prototipo reciben energía
y señales de control por un bus desde la fuente hasta su posición sobre el mecanismo. La computadora y microcontrolador se comunican por medio de un cable USB. Se conecta la fuente DC a una toma de 120 [V] AC estándar.
La cámara web se conecta directamente mediante un cable USB a la computadora.
4.2.3 DISEÑO DE LA INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA
La interfaz hombre máquina para la interacción del prototipo con el operador
32 Todos los elementos se acoplan en la base del prototipo, los 3 interruptores
se colocaran al lado izquierdo mientras que la palanca de mando y el pulsador se colocaran al lado derecho para dar facilidad en la operación manual, los elementos se pueden evidenciar en la Figura 17.
Figura 17.Elementos de la interfaz hombre máquina.
Los tres seleccionadores permiten activar el modo manual o automático, bloquear o desbloquear el gatillo por seguridad y prender o apagar la fuente de energía. La palanca de mando permite el control de los movimientos del prototipo en los cuatro sentidos, arriba, abajo, izquierda y derecha, además de diagonales, el botón rojo realiza el disparo manual.
4.2.4 DISEÑO DE LA BASE Y SOPORTE
Los elementos se construyen de madera prensada de 1 cm de espesor, acopladas mediante tornillos para madera.
Figura 18.Diseño de la base del prototipo.
Sobre la base se monta un parante para levantar los servomotores y que el arma no choque con otros elementos cuando realiza los movimientos. El diseño del parante se puede observar en la Figura 19, se dejan los orificios necesarios para los cables de los servomotores y cámara web.
Figura 19.Diseño parante del prototipo.
34
Figura 20.Acople de base y parante del prototipo.
El diseño definitivo del prototipo con los actuadores acoplados, los componentes eléctricos de la interfaz hombre máquina y el arma se pueden observar en la Figura 21. Sobre el parante se acopla un soporte de servo motor estándar con tornillos, sobre los soportes se montan los servo motores estándar y el arma.
Figura 21.Diseño del prototipo.
4.2.5 RANGO DE FUNCIONAMIENTO
permite un movimiento de 180° en los 2 ejes, sin embargo, el ángulo de visión de la cámara es de 41° en el eje X y de 24°en el eje Y, por esta razón se limita el movimiento de los actuadores a las posiciones en las que el arma apunta dentro de la imagen captada por la cámara. Para la distancia máxima del objetivo se estableció 5 [m] debido al espacio disponible para las pruebas de verificación en un ambiente controlado, el prototipo sería capaz de defender áreas interiores como habitaciones, corredores, salas, etc. El prototipo realiza su función siempre que se alcance a distinguir el puntero láser dentro de la imagen y el objetivo.
4.2.6 VELOCIDAD DE RESPUESTA
La velocidad de respuesta se calcula para el modo automático del prototipo, ya que en el modo manual la respuesta depende del operador, sin embargo, la velocidad del gatillo es la misma en ambos modos. Se definie la velocidad máxima del objetivo como la velocidad promedio de una persona promedio de 3.8 [m/s].
Para calcular la velocidad de respuesta del prototipo en modo automático se debe considerar los siguientes puntos:
La velocidad del actuador utilizado es de 60°/0.19 [s].
El actuador que acciona el gatillo se mueve 45°, por lo tanto, el tiempo de retraso en el accionamiento del gatillo es de 0.14 [s].
El tiempo de espera para la predicción de movimiento es de 0.5 [s].
Se considera insignificante el tiempo que toma el proyectil en acertar al objetivo desde que se acciona el gatillo.
El tiempo cero es tomada a partir de que el objetivo entra completamente dentro de la imagen.
En el peor de los casos en el que el actuador en el eje X se mueva 41°, se tardaría 0.13 [s] en realizar el barrido por todo el rango de funcionamiento.
36 posiciones a distintos tiempos, en base a la velocidad del objetivo, el factor de predicción utilizado en la pruebas de validación es de 2.5, lo que quiere
decir que el primer movimiento del prototipo se hace a la posición del objetivo a un tiempo de 1.75 [s].
El factor de predicción de movimiento en base a la velocidad y dirección de movimiento predice un punto, por el cual se moverá el objetivo, más o menos lejano a la última posición del objetivo, entendiéndolo de otra manera predice la posición futura a un tiempo mayor o menor. Por experimentación se define el factor en el valor de 2.5 al proporcionar mejores resultados en las pruebas de disparo.
Para la realización del primer movimiento sumamos el tiempo de espera de 0.5 [s] sumado el tiempo de respuesta del servomotor máximo de 0.13 [s], lo que nos da un tiempo de 0.63 [s] en el primer movimiento.
Una vez realizado el primer movimiento, el segundo estado del modo
automático de corrección de movimiento, realiza múltiples pequeños movimientos de 0.45° a la misma velocidad, los cuales toman un tiempo de 0.001 [s]. Estos pequeños movimientos se realizan en un intervalo de tiempo determinado en la programación.
Una vez que el puntero láser se identifica sobre el objetivo, se acciona automáticamente, disparando con un tiempo de retraso de 0.14 [s].
4.2.7 CÓDIGO DE CONTROL
El código de control se desarrolla principalmente en el módulo de programación en C de RoboRealm CScript_Program, en la tarjeta de Arduino Mega se carga un programa de comunicación entre tarjeta y el programa de visión artificial.
4.2.8 PROGRAMACIÓN DE ROBOREALM
Figura 22.Herramientas de RoboRealm utilizadas.
A continuación se realizará una breve explicación de la funcionalidad de cada herramienta utilizada:
Set_Variable:Se declaran las variables que se utilizan durante el resto de la programación del prototipo: variables que identifican la posición del objetivo y laser, que controlarán los servo motores, que permitirán la selección de modo, el disparo manual, entradas analógicas de la palanca de mando y entradas digitales de los interruptores de la interfaz hombre máquina.
RGB_Filter: Realiza el filtrado por color de la imagen, filtrando el color del objetivo y convirtiendo en color negro o eliminando todos los pixeles que se encuentran fuera del rango establecido en los parámetros de intensidad, hue e hysteresis. Hay que recalcar que estos valores pueden ser modificados fácilmente de acuerdo a las condiciones de luz en el lugar de operación del prototipo y el color del objetivo, razón por la cual se necesita una previa calibración antes de poner en funcionamiento el prototipo.
Erode: Realiza una erosión de la imagen, es decir que los grupos de pixeles de poco tamaño identificado por los anteriores filtros, que son considerados ruido, son eliminados de la imagen.
38 grupo de pixeles que cumpla con la condición seleccionada mientras que los demás son eliminados, eliminando de esta manera cualquier otro objeto de la imagen permitiendo 1 solo objetivo.
Fill: Permite rellenar los pixeles eliminados que se encuentran dentro del mismo objetivo, es decir que si dentro de un objeto del mismo color se han eliminado algunos pixeles, obteniendo ruido dentro del objeto, estos pueden ser rellenados con un color promedio de los pixeles que le rodean, para así poder tener una imagen con el objeto claramente distinguible.
Smooth_Hull: Permite homogeneizar la imagen obtenida por la aplicación de los posteriores filtros, de manera que se distinga el objeto aún más claramente.
Center_of_Gravity: Calcula el pixel medio, en los dos ejes, del objeto resultante de la aplicación de todos los filtros anteriores, además de otras funciones de: seguimiento del objeto, se encapsula la imagen detectada dentro de un recuadro del tamaño mínimo que abarque un 90 % de todo el objeto, se marca el centro del objeto y se lo ancla al centro de la imagen, entre otras.
Laser_Spot: Permite la detección de un puntero láser sobre la imagen, calibrando ciertas variables para que la detección sea óptima en las condiciones de luz en las que trabaje el prototipo, devuelve la posición del pixel, en los dos ejes, del puntero.
Display_Line: Permite dibujar una línea sobre la imagen tomando como referencia dos puntos.
Display_Rectangle: Permite dibujar un rectángulo sobre la imagen tomando como referencia cuatro puntos.
Sparkfun_Mega: Permite la comunicación serial entre la tarjeta Arduino Mega y RoboRelam, la herramienta se comunica a una velocidad de 115200 baudios para una mejor respuesta del hardware del prototipo. Entre sus funciones permite activar o desactivar las distintas variables analógicas y digitales así como PWM.
CScript_Program: Es la herramienta de mayor importancia, en la que se programa en lenguaje C la lógica de control que recibe la información del procesamiento de imágenes y del microcontrolador para accionar los servomotores, el diagrama de flujo de la lógica de control se presenta en la Figura 23.
40 encuentre el puntero sobre el objetivo se acciona el servo motor del gatillo a 180° a velocidad máxima para realizar el disparo y regresarlo a 0°.
4.2.9 COMUNICACIÓN MICROCONTROLADOR Y PROGRAMA DE VISIÓN ARTIFICIAL
Para la comunicación entre microcontrolador y programa de visión artificial
se utiliza una de las distintas interfaces Sparkfun de RoboRealm, estas permiten que las distintas tarjetas vendidas por Sparkfun tengan una comunicación serial conectadas por USB al computador a una velocidad de
115200 baudios. La herramienta Sparkfun_Mega utilizada para la comunicación con el microcontrolador del prototipo permite la interacción entre la lógica de control desarrollada en el programa de visión artificial y los elementos de la interfaz hombre máquina así como de los actuadores. Entre
sus funciones, el módulo Sparkfun_Mega permite habilitar y deshabilitar, entradas y salidas, analógicas, digitales y PWM. El código que se descarga en el microcontrolador, para la interacción con la interfaz, es de carácter abierto y se encuentra disponible en la página web oficial de RoboRealm (RoboRealm, 2016).
4.3 SIMULACIÓN
Se realizó la simulación del prototipo para verificar el movimiento de los
servomotores por la lógica de control realizada, así como el correcto funcionamiento de la interfaz hombre máquina, las conexiones se realizaron de la manera en que se muestra en la Figura 24. Se pueden evidenciar 4 elementos principales: el microcontrolador (A), el mecanismo de disparo (B),
la palanca de mando o joystick (C) e interruptores (D). Se simulan los datos obtenidos por el programa de visión artificial con las entradas digitales interactivas que se pueden apreciar en (A): X, Y y G control, una vez
seleccionado el modo automático, accionando el interruptor en (D), al modificar los valores de estas entradas se puede apreciar el movimiento de los actuadores en (B), que simulan los movimientos del mecanismo. Al seleccionar el modo manual accionando el interruptor en (D), se puede apreciar los movimientos de los actuadores en (B) al modificar las posiciones
42 paralelo para los movimientos del mecanismo en los 2 ejes, al accionar el
botón de disparo en (D) se acciona el actuador G, que simula el servo motor que acciona el gatillo.
Figura 24.Conexión para la simulación del prototipo.
Figura 25.Diagrama de flujo de la lógica de control de la simulación.
44 26 la simulación corriendo. La palanca de mando para el control manual se simula con dos potenciómetros que envían las señales análogas de los movimientos horizontales y verticales.
Figura 26.Simulación del prototipo.
4.4 PROTOTIPO
5.1 RESULTADOS MODO MANUAL
En la Tabla 2 se pueden observar los resultados de las pruebas del modo manual, se puede evidenciar que este modo funciona perfectamente al reaccionar el prototipo de acuerdo a los movimientos de la palanca de mando y el botón de disparo, en la tabla las columnas Bot 1 y Bot 2 hacen referencia a la prueba de disparo con gatillo bloqueado y desbloqueado respectivamente, se puede observar que el interruptor de bloqueo y desbloqueo del gatillo funciona correctamente.
Tabla 2.Resultados de las pruebas del modo manual.
Acción ↓ ← ↑ → ↖ ↗ ↘ ↙ Bot 1 Bot 2 Prueba 1 Prueba 2
Promedio (%) 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
:Funcionamiento correcto
:Funcionamiento incorrecto
5.2 RESULTADOS MODO AUTOMÁTICO CON GATILLO
BLOQUEADO
En la Tabla 3 se pueden observar los resultados de las pruebas del modo automático con el gatillo bloqueado, se evidencia que éste funciona perfectamente, es decir que realiza la primera acción en base al algoritmo de predicción de movimiento como es esperado según la dirección de entrada del objetivo para luego realizar el seguimiento o corrección de posición en dirección del objeto.
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Tabla 3.Resultados de las pruebas del modo automático con gatillo bloqueado.
Acción ↓ ← ↑ → ↖ ↗ ↘ ↙ Pos Prueba 1 Prueba 2 Promedio
(%) 100 100 100 100 100 100 100 100 100
:Funcionamiento correcto
:Funcionamiento incorrecto
Además en esta prueba se puede evidenciar la funcionalidad del algoritmo de predicción de movimiento, ya que el prototipo en modo automático inicialmente realiza un movimiento en base a un tercer punto por el cual se predice cruzará el objetivo, al hacer ingresar un objetivo en el rango de funcionamiento del prototipo desde distintas direcciones y obtener los movimientos esperados se puede verificar la funcionalidad de este algoritmo de predicción.
5.3 RESULTADOS MODO AUTOMÁTICO CON GATILLO
DESBLOQUEADO
En la Tabla 4 se pueden observar los resultados de las pruebas del modo automático con gatillo desbloqueado, para la prueba se utilizó un blanco de 0.4 x 0.4 [m], a velocidad de caminata de 2 [m/s], para representar las condiciones a las que un objetivo humano se mueve y sus dimensiones, además la prueba a esta velocidad permite saber si es o no aceptable el resultado, el objetivo se movió a través del rango de funcionamiento del prototipo con un movimiento continuo y en cada prueba se alternó el ángulo de entrada del objetivo.
El resultado de la prueba a distintas distancias nos muestra que tenemos un porcentaje de aciertos sobre el 70 % desde los 3 [m]. Se obvió la prueba a 1 [m] ya que el objetivo ocupaba, a esta distancia, casi la totalidad de la imagen captada por la cámara web.
para posicionar un arma en dirección a un blanco en movimiento, se podría mejorar el resultado utilizando componentes de mayor calidad y capacidad, por ejemplo una cámara de alta resolución permitiría identificar de mejor manera al objetivo y ser más preciso, sin embrago una mayor calidad de video a su vez requiere de una mayor capacidad de procesamiento del computador, actuadores de alta precisión así como un arma más precisa, con accionamiento electro mecánico para disminuir el retraso en el disparo al mínimo y con municiones de precisión mejorarían también los resultados de la prueba.
Tabla 4.Resultados de las pruebas del modo automático con gatillo desbloqueado.
Prueba # Distancia 2 [m] Distancia 3 [m] Distancia 4 [m] Distancia 5 [m]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Aciertos 90% 75% 40% 10%
:Acertó al objetivo
CONCLUSIONES
El prototipo construido está validado hasta una distancia de 3 [m] con un objetivo de 0.4 x 0.4 [m] a velocidad de caminata de 2 [m/s], tiene una precisión del 75 %. En cuanto al tamaño, evidentemente la precisión disminuye conforme disminuyen las dimensiones del objetivo y viceversa, pero se debe considerar que en el procesamiento de imágenes un mismo objetivo se puede ver más grande o pequeño de acuerdo a la distancia del prototipo a la que se encuentre, por lo que un objetivo más grande a una mayor distancia será equivalente a uno más pequeño a menor distancia en el procesamiento de imágenes. La distancia mínima aceptable para el funcionamiento del prototipo es de 2 [m], ya que a menos distancia el objetivo ocupa demasiado espacio dentro de la imagen procesada por lo que realizar pruebas a menores distancias no probarían el concepto de apuntar el por visión artificial, es decir que así se acierte al objetivo no se valida el concepto. El tamaño mínimo del objetivo para estar debajo del 70 % de aciertos a 3 [m] es de 0.3 x 0.3 [m] lo que es un blanco aceptable para realizar un disparo.
El objeto de 0.4 x 0.4 [m] a 3 [m] de distancia representa entre 80 y 100 pixeles dentro de la imagen procesada, es decir aproximadamente un 14 % y 19 % del largo y alto de la imagen de 640 x 480 respectivamente o el 3.3 % del total de la imagen, mientras el objetivo mantenga estas proporciones, la lógica del procesamiento de imágenes es la misma y funciona de manera adecuada.
50 La velocidad del objetivo influye directamente en la precisión del prototipo, al aumentar la velocidad baja la precisión y viceversa. Si el objetivo tiene alta velocidad y el algoritmo de predicción de movimiento predice un punto fuera del rango de operación del prototipo, no se produce ningún movimiento. Mientras que con un objetivo estático la precisión del prototipo es del 100 %. La máxima velocidad que puede tener el objetivo para que el prototipo reaccione prediciendo un punto dentro del rango de funcionamiento a 3 [m] de distancia es de 7 [m/s].
La interfaz hombre máquina permite el control manual del prototipo, realizando el disparo de manera remota por un operador. En la revisión teórica de dispositivos similares se pude evidenciar que existen tecnologías de igual funcionamiento, sin embargo por el peligro que representa un disparo automático, en la mayoría de los casos, se opta por un control remoto en el que el disparo se realiza siempre de acuerdo al criterio humano de un operador. La implementación de la interfaz hombre máquina permite adecuar el funcionamiento o modo, de acuerdo a las preferencias del operador.
La velocidad de respuesta máxima del prototipo en las pruebas de validación es de 41°/0.63 [s], que es adecuada para la validación del funcionamiento del prototipo, ya que permite realizar disparos certeros a un objetivo en movimiento. Esta velocidad de respuesta puede ser modificable de acuerdo al tiempo de espera de toma posiciones del objetivo hasta 41°/0.13 [s], pero el algoritmo de predicción de movimiento se vuelve impreciso. Sin embargo se podría mejorar utilizando actuadores de mejor calidad, precisión y velocidad de movimiento, como un servo motor Hitec Hs-645MS. El algoritmo de predicción de movimiento permite que la reacción del prototipo sea adecuada. En caso de que el movimiento del objetivo no sea constante el primer movimiento del prototipo evidentemente será errado, pero seguirá el estado en el que se corrige la posición realizando el seguimiento al objetivo independientemente de los movimientos que realice, se puede entender que el prototipo rastrea al objetivo después del primer movimiento.
En caso de que existan dos objetivos o más simultáneamente dentro del rango de operación del prototipo, dada la programación realizada, se realizará el disparo al objetivo de mayor tamaño, sin embargo se puede modificar para realizar cualquier acción deseada, como por ejemplo disparar a los 2 objetivos alternadamente, aplicando el algoritmo de predicción de movimiento a los 2 objetivos y una vez terminado el primer disparo proseguir al siguiente.
RECOMENDACIONES
52 La capacidad de procesamiento del computador se encuentra directamente relacionada con la capacidad de procesamiento de imágenes por lo que se recomienda utilizar una computadora con el mejor procesador disponible con el fin de obtener mejores resultados.
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