distrbución de potencia y transmisión de datos en un robot
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Distribución de potencia y transmisión de datos en un robot
modular tipo serpiente orientado a búsqueda y rescate.
Autor:
Santiago Ruiz Salazar
Director de Trabajo de Grado:
Francisco Carlos Calderón Bocanegra
Facultad de Ingeniería
Departamento de Electrónica
Pontificia Universidad Javeriana
Bogotá D.C., Colombia
23 de noviembre de 2018
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ÍNDICE GENERAL
1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. 3
2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................... 4
2.1 Regulación de Voltaje .................................................................................................................... 4
2.1.1 Reguladores Lineales: ............................................................................................................ 4
2.1.2 Regulador por Conmutación: ................................................................................................. 5
2.1.3 Topologías de reguladores por conmutación:......................................................................... 6
2.1.4 Control de los reguladores por conmutación: ......................................................................... 8
2.2 Protocolos de transmisión de datos: ............................................................................................... 9
2.2.1 TCP/IP y UDP/IP ................................................................................................................... 9
2.3 Codificación de video................................................................................................................... 10
2.3.1 Motion-JPEG (MJPEG) ....................................................................................................... 10
2.3.2 MPEG-4 ............................................................................................................................... 10
2.4 Actuadores AX-12 A .................................................................................................................... 10
3 OBJETIVO DEL PROYECTO ............................................................................................................ 12
4 DESAROLLO ...................................................................................................................................... 13
4.1 Parte 1 Sistema de Distribución de potencia ................................................................................ 13
4.2 Parte 2 Sistema de tele-operación ................................................................................................ 22
4.2.1 Transmisión de video en vivo FPV (First Person View) ...................................................... 23
4.2.2 Transmisión de datos de mando: .......................................................................................... 25
4.3 Diseños de modelos en 3D ........................................................................................................... 29
5 PROTOCOLO DE PRUEBAS ............................................................................................................. 34
5.1 Evaluación del sistema de potencia: ............................................................................................. 34
5.2 Evaluación del sistema de tele-operación: ................................................................................... 34
5.3 Evaluación de tiempo de respuesta .............................................................................................. 37
6 ANÁLISIS DE PRUEBAS .................................................................................................................. 38
6.1 Análisis de sistema de distribución de potencia ........................................................................... 38
6.2 Análisis del sistema de tele-operación ......................................................................................... 40
6.2.1 Análisis de operación por usuarios ....................................................................................... 40
6.2.2 Análisis de tiempo de respuesta ........................................................................................... 44
7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................................... 45
8 REFERENCIAS ................................................................................................................................... 46
9 ANEXOS .............................................................................................................................................. 47
9.1 Anexo A ....................................................................................................................................... 47
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1 INTRODUCCIÓN
En la actualidad se llevan cavo cada vez más desarrollos que permiten mejorar la calidad de vida humana,
uno de estos desarrollos es la robótica la cual es un área cuya presencia en la vida humana está
aumentando notablemente en los últimos años, realizando diferentes tareas con el fin de facilitar y
complementar el trabajo el hombre, incluso permitiendo que en un ambiente con condiciones
desfavorables para la presencia humana se puedan realizar acciones sin necesidad de estar presentes
siendo tele-operados o de manera autónoma.
En la humanidad siempre han estado presentes diferentes desastres, ya sean naturales o provocados por los
humanos, los cuales han dejado muchas víctimas, muchas veces por no tener la tecnología de búsqueda y
rescate adecuadas. Los robots de búsqueda y rescate han sido una tecnología muy importante en esta área,
ya que se han diseñado diferentes robots que pueden desplazarse por diferentes tipos de terrenos, los más
comunes son los robots con ruedas o biológicamente inspirados como cadenas articuladas, orugas y con
patas.
Los MSR (Modular snake-like robots) o en español robots serpiente modular, son cadenas articuladas que
se caracterizan por tener una amplia capacidad de desplazamiento, que les permite moverse a través de
diferentes terrenos y superficies debido a su forma, tamaño y flexibilidad. Además, los diferentes modos
de movimiento o gaits (estrategias de locomoción) permiten que robots en esta configuración puedan
alcanzar lugares de difícil acceso para robots convencionales, como pueden ser tuberías
x i i i i
orientada a rescate y detección de víctimas en lugares de difícil acceso.
Al inicio del presente trabajo, el grupo de sistemas inteligentes, robótica y precepción (SIRP) de la
Pontificia Universidad Javeriana contaba con un conjunto de desarrollos tanto en hardware como en
software relacionados con robots modulares tipo serpiente. Dentro de estos, se tenía una propuesta de
interfaz para controlar la locomoción de este tipo de plataformas, mediante la implementación de marchas
parametrizadas [1] y marchas guiadas [2]. Luego se implementó un sistema más interactivo e intuitivo
para controlar este tipo de robots serpentinos logrando que su manipulación resultara apta para ser operada
por un usuario sin conocimientos previos de robótica o ingeniería, dado que cada uno de los parámetros de
la ecuación que describe el movimiento de este robot tipo serpiente y el ángulo de cada uno de sus
módulos se debía ajustar individualmente para conseguir una estrategia de locomoción deseada.
Posterior a esto se evaluaron 2 problemas, el primero consta en que al conectar una serie de módulos (en
donde cada módulo posee un servomotor) se van a tener consumos altos de corriente esto tiene como
consecuencia que en muchas soluciones clásicas de las literaturas [1]-[3] el MSR deba ser alimentado por
un cable. Para permitir que el MSR acceda a lugares remotos el cable ser de gran longitud, lo que
hace que su resistencia no resulte despreciable, por ende, el valor del divisor de tensión entre la
alimentación y la carga de los motores se verá más afectado entre más largo el cable produciendo
que el sistema no trabaje bajo condiciones nominales.
El segundo consta de que, ya que el robot está pensado para ser operado en lugares remotos a los cual el
conductor no puede acceder, el robot debe contar con herramientas que permitan visión remota y tele-
operación a distancias mayores a las ya logradas.
El objetivo general de este trabajo es diseñar un sistema de distribución de potencia por medio de
conversores DC/DC, que permita que los actuadores del sistema trabajen en condiciones nominales, y la
transmisión de datos de visión remota y mando para ser acoplado al sistema de tele-operación AKIO
realizado por [1].
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2 MARCO TEÓRICO
2.1 Regulación de Voltaje
A la hora de realizar una regulación de voltaje existen principalmente 2 opciones, se puede realizar por
medio de Reguladores Lineales o Reguladores por Conmutación. Dependiendo de las características de la
carga, los valores de entrada y de salida se puede escoger una o la otra, como se muestra a continuación:
2.1.1 Reguladores Lineales:
Es un regulador de tensión basado en un elemento activo como un transistor, que opera en su región lineal
(al contrario de los reguladores por conmutación). Se componen de pocos elementos para su
funcionamiento, son de bajo costo y presentan una eficiencia media-baja comparadas con los reguladores
por conmutación. Un esquema de una topología básica de un regulador lineal es la siguiente:
Figura 1. Diagrama de bloques de un regulador lineal [4]
Figura 2. Esquemático básico de un regulador lineal[5]
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2.1.2 Regulador por Conmutación:
Una fuente conmutada es un dispositivo electrónico que a transforma energía para alimentar equipos
eléctricos y electrónicos con un valor controlado de voltaje. La entrega de energía se realiza a través de
circuitos que emplean transistores de potencia los cuales actúan como interruptores al trabajar en
conmutación. Dependiendo de su arquitectura los reguladores por conmutación pueden elevar el voltaje,
disminuirlo o incluso invertirlo. Entre los tipos de reguladores por conmutación que se pueden encontrar
están los conversores Buck, Boost y Buck-Boost las cuales son utilizadas para aplicaciones de potencia
media-baja menores a 60 W y las fuentes aisladas Flyback y Forward las cuales son utilizadas para
aplicaciones con potencias altas entre 60 y 250 W. Un diagrama de bloques que representa el
funcionamiento de las fuentes por conmutación es el siguiente:
Figura 3. Diagrama de bloques básico de un regulador por conmutación[4]
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2.1.3 Topologías de reguladores por conmutación:
Buck:
Figura 4. Esquemático de conversor DC/DC Buck
En donde la tensión de salida está dada por:
Siendo D el ciclo útil, lo cual permite tener valores a la salida iguales o menores a Vi, es decir actúa como
un reductor de voltaje o step down.
Boost:
Figura 5. Esquemático de conversor DC/DC Boost
Modelo en el cual obtenemos la siguiente ecuación de salida:
En donde los valores obtenidos de Vo serán siempre igual a Vo o mayores, con lo que se concluye que
esta actúa como un elevador de voltaje.
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Buck-Boost:
Figura 6. Esquemático de conversor DC/DC Buck-Boost
Con el cual la ecuación de salida obtenida es la siguiente:
En donde se pude concluir que mediante este tipo de convertidor es posible invertir la señal y ampliarla o
disminuirla dependiendo del valor del ciclo
Forward:
Figura 7. Esquemático de conversor DC/DC Foward
Flyback:
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Figura 8. Esquemático de conversor DC/DC Flyback
Las fuentes forward y flyback son fuentes que permiten tanto elevar como reducir la tensión estas son
aisladas eléctricamente entre la entrada y la salida mediante un inductor acoplado, en el entrehierro de este
inductor acoplado o transformador se almacena y se transmite energía de la entrada a la salida.
Usualmente son utilizadas en aplicaciones en la cual este conversor está conectado directamente a la línea.
2.1.4 Control de los reguladores por conmutación:
Es necesario aclarar que para que estos reguladores puedan mantener el nivel deseado de voltaje a la salida
sin importar los cambios en la entrada, se debe tener un sistema de control que logre cambiar la entrada
del transistor que realiza la tarea de conmutación, variando así el ciclo útil entregando la potencia
necesaria para tener la salida requerida.
Un diagrama de bloques básico que muestra la arquitectura básica de un controlador para este tipo de
conversores es el siguiente:
Figura 9. Diagrama de bloques de sistema básico de control para fuentes conmutadas
En donde se compara algún valor del conversor, usualmente el nivel de voltaje sobre una resistencia de
censado, con un valor de referencia establecido para variar el valor del pwm al ciclo útil deseado a la
salida.
A continuación, se enuncia una tabla comparativa de los 2 tipos de reguladores de voltaje:
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Tabla 1: Comparación de las características de los reguladores lineales y de conmutación [6]
2.2 Protocolos de transmisión de datos:
2.2.1 TCP/IP y UDP/IP
Provienen de los protocolos Transmission control protocol (TCP), User Datagram Protocol (UDP) y
Internet protocol (IP). Son la base del funcionamiento del internet ya que permiten enlazar dispositivos,
entre ellos PCs, microcontroladores, y computadoras centrales sobre redes de área local (LAN) y área
extensa (WAN). TCP a diferencia de UDP permite una conexión de host a host, lo que se traduce en una
conexión bilateral, entre otras diferencias como se muestra en la siguiente tabla de comparación:
UDP TCP
Conexión Es un protocolo sin conexión Es un protocolo orientado a la
conexión
Función Es usado para aplicaciones
que necesitan una transmisión
rápida, como os juegos.
Es usado para aplicaciones
que requieran alta fidelidad
donde el tiempo de
transmisión sea menos crítico.
Ordenamiento de paquetes No tiene orden ya que todos
los paquetes son
independientes, si se necesita
orden este deberá ser añadido
en la capa de aplicación.
Mantiene el orden de los
paquetes que se envían.
Velocidad de transmisión La velocidad es mayor ya que
la corrección de errores no se
realiza.
La velocidad es más baja que
UDP.
Tabla 2. comparativa entre los protocolos de transmisión UDP y TCP
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2.3 Codificación de video
Un video ordinario sin comprimir después de ser digitalizado puede consumir una gran cantidad de ancho
de banda. Por esto se han desarrollado diferentes métodos de compresión de video para reducir el ancho
de banda necesario para acceder a esta información. Pero cabe aclarar que con un alto nivel de compresión
se ocupara un menor ancho de banda, pero la calidad bajara notablemente al igual que el retardo requerido
para realizar la compresión, es allí en donde se debe mantener el balance entre el tamaño de la imagen y la
compresión de esta. Se han creado diferentes estándares para que los fabricantes de cámaras y de
servidores de video puedan alcanzar este balance, la base de la mayoría de estos estándares es el JPEG
“Joint Photographic Experts Group” q h f i ió i g y q é
de compresión de video que se mencionarán a continuación son una compresión en fotogramas
consecutivos de diferentes maneras, también llamado compresión intraframe.
2.3.1 Motion-JPEG (MJPEG)
Es un tipo de codificación en donde cada instante de video o fotograma es codificado en una imagen
JPEG. La calidad resultante del video es independiente del movimiento de video lo que la hace diferente a
MPEG.
Características:
A bajo acho de banda disponible la prioridad se le da a la resolución
Baja latencia en procesamiento de imagen (al usar una transformada coseno)
Las imágenes tienen tamaño constante.
2.3.2 MPEG-4
El principio básico de funcionamiento de este tipo de codificación es comparar las imágenes antes de ser
transmitidas, en donde se tiene una primera imagen comprimida y las siguientes se comparan con esta,
solo se transmitirán las partes de las siguientes imágenes que difieran con la primera. Estas después de ser
transmitidas se reconstruían con base a la primera imagen.
Características:
Reduce la cantidad de espacio necesario para almacenar
Reduce ancho de banda necesario
A bajo ancho de banda disponible se da prioridad a los fotogramas por segundo
Mayor compatibilidad con audio
[7]
2.4 Actuadores AX-12 A
Las características físicas y eléctricas de estos motores se encuentran en la siguiente figura y tabla
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Figura 10. Imagen de un servomotor AX-12A tomada de (Robotis, 2014).
Tabla 3. Especificaciones del servomotor AX 12 A
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3 OBJETIVO DEL PROYECTO
El presente proyecto logró integrar un sistema de distribución de potencia por medio de fuentes de
conmutación en cascada, que permitieron que los diferentes elementos del robot, tanto sus actuadores
como la computadora abordo, pudieran operar bajo condiciones nominales. Para esto se utilizó un
conversor AC/DC seguido de dos conversores DC/DC obteniendo los valores de potencia necesarios para
el correcto funcionamiento del robot.
Además, se realizó el sistema de tele-operación, el cual incluye transmisión de video en vivo y la
transmisión de datos de mando, estos se realizaron entre la tarjeta embebida Raspberry pi 2 con sistema
operativo GNU/Linux y un PC con Linux Mint. El software implementado se realizó en Python con el fin
de tener compatibilidad con el sistema de tele-operación ya realizado por [1].
Con este software se logró realizar todos los modos de movimiento realizados en el anterior modelo de
tele-operación, manteniendo los mismos parámetros y características de operación, pudiendo controlar el
robot desde un pc con Linux en la misma red local (LAN) que la Raspberry a bordo.
Una vez implementados los sistemas descritos se procedió a realizar un protocolo de pruebas que consta
de 3 partes:
la primera parte fueron una serie medidas de potencia que lograran evidenciar la diferencia entre el
sistema de transmisión de potencia diseñado y el sistema antiguo.
La segunda consta de la operación del robot por medio de un usuario en donde se busca evaluar la
eficiencia de la tele-operación realizando el control de robot en un circuito en el cual se buscan una serie
de objetos con el fin de poner en prueba las funciones principales del robot las cuales son búsqueda y
exploración, mientras se está en un lugar apartado a el robot.
Por último se realiza una prueba de tiempo de respuesta de un botón con el fin de comparar con lo
obtenido en [1].
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4 DESAROLLO
El presente proyecto se divide en 2 partes, el diseño de la red de distribución de potencia y el sistema de
tele-operación.
4.1 Parte 1 Sistema de Distribución de potencia
Primero se realizó una medición que evidenciara la necesidad de esta red de distribución de potencia
realizando una medida de voltaje en el último modulo en la cadena desarrollada como proyecto base de
este trabajo realizado por [1], teniendo en cuenta que allí la caída de voltaje será mayor por pérdidas en el
conductor, la prueba consistió en 30 segundos en el modo de movimiento progresión lineal a mayor
amplitud y velocidad de movimiento, el resultado fue el siguiente:
Figura 11. Voltaje en el último módulo de la cadena articulada realizada por [1]
Según estos datos obtuvimos un voltaje promedio de 10.14 V lo cual según la tabla de especificaciones
esta 1 V por debajo del valor recomendado (11.1 V) y el valor más bajo alcanzado esta en el borde del
rango de operación (9 ~ 12 V). esto implica errores en el control del servo inteligente en los valore
objetivos de posición y velocidad
Para el desarrollo de la red de distribución de potencia primero fue necesario realizar medidas de consumo
en los modos de movimiento de mayor esfuerzo en la serpiente y en el consumo de la Raspberry en
condiciones de estrés mayores a las habituales teniendo en cuenta que con el nuevo sistema de tele-
operación se tendrán más tareas para su procesador (compresión de video y lectura de datos de mando de
tele operación), para esto se realizaron pruebas de 30 segundos en cada modo de movimiento de la
serpiente, en donde se hicieron movimientos en su mayor amplitud. Para el consumo de la Raspberry se
realizaron pruebas con el sistema de tele-operación, la herramienta de prueba de carga de procesamiento
de Linux, llamada ($ stess), conexión a internet y reproducción de un video en alta definición. Con estas
pruebas obtuvimos los siguientes resultados en la medición:
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Figura 12. Consumo de corriente de los motores en diferentes modos de movimiento
Con esta grafica podemos observar el valor máximo de consumo de corriente en los diferentes modos de
movimiento el cual es 2,85 A en el modo de movimiento desplazamiento lineal, con el fin de tener una
zona de seguridad en caso de sobre consumo agregamos un factor de 1.3 obteniendo el siguiente valor de
consumo máximo de los motores:
Además de esto se tiene información de la corriente promedio consumida en cada modo de movimiento
las cuales fueron las siguientes:
Promedio de consumo de corriente en progresión lineal: 1.93 A
Promedio de consumo de corriente en desplazamiento lateral: 2.01 A
Promedio de consumo de corriente en modo cobra: 1.03 A
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Figura 13. Consumo Raspberry Pi 2 bajo diferentes procesos.
De la medida realizada podemos obtener el valor de consumo de corriente alcanzado por la Raspberry el
cual está alrededor de 900mA, igual a la anterior medida agregamos un factor de 1.3 a esta medida y
obtenemos el siguiente valor:
Como este valor es más bajo a el valor máximo dado por el fabricante como valor ideal del adaptador
utilizado para la alimentación de la Raspberry utilizaremos este valor como valor máximo de consumo, el
cual es 1,5 A [8].
Teniendo en cuenta lo anterior se propone el siguiente esquema en cascada, con el fin de minimizar
perdidas y además no interferir con las mecánicas de movimiento del robot por el hecho de solo tener un
cable de alimentación. El esquema del sistema a implementar es el siguiente:
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Figura 14. Diagrama de bloques del sistema de transmisión de potencia del MSR (Modular Snake Robot).
Se realiza la conexión en cascada de los convertidores DC/DC ya que el hecho de que estos estuvieran en
paralelo nos generaría 2 inconvenientes. Tendría que haber otro cable desde la cola hasta la cabeza donde
se encuentra el microcontrolador, lo que no trae mucha conveniencia para la movilidad de la serpiente.
Además, el conversor DC/DC de 5 V tendría un voltaje de caída más alto, lo que resultaría en un aumento
en la temperatura de este.
Para la escogencia del adaptador AC/DC, se tuvo en cuenta lo siguiente: Primero que debería entregar un
voltaje mayor a 12 V después de la caída de voltaje generada por el cable, y segundo no deberá ser muy
grande ya que a mayor voltaje de caída o dropout, esto se verá reflejado en temperatura en el conversor, lo
que se traduce en pérdidas por lo que no sería tan eficiente. Por esto se escoge un valor de 19,7 V
Sabiendo esto debemos tener en cuenta diferentes aspectos:
Como el conversor DC/DC de 12V deberá suplir además de los motores al convertidor de 5V, la potencia
de salida de este deberá ser la calculada como la potencia máxima de los motores más la potencia de
entrada necesitada en el conversor de 5V para suplir la carga máxima de la tarjeta de control.
Por esto, primero se escogió el conversor el que cumplía las especificaciones de consumo de la Raspberry
los cuales son los siguientes:
Voltaje de entrada 12V
Voltaje de salida 5V
Corriente Máxima 1.5 A Tabla 3. Valores máximos para conversor DC/DC 5 V
A lo cual se seleccionó el módulo de conversor DC/DC buck basado en el integrado MP1584 con las
siguientes características:
Dimensiones: 22mm*17mm*4mm.
Amplio rango de entrada de 4,5 V a 28V operativo.
Frecuencia de conmutación máxima: 1,5 MHz.
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Arranque suave interno.
Puede entregar hasta 3 A.
Figura 15. Modulo conversor Buck DC/DC 5V-3A
Este conversor Buck cuenta con el siguiente esquemático:
Figura 16. Circuito esquemático módulo DC-DC Buck 5V
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El cual se sometió a pruebas para garantizar los valores máximos requeridos por el microcontrolador y los
resultados fueron los siguientes:
Figura 17. Voltaje de entrada y salida de conversor 5 V
Figura 18. Corriente de entrada y salida de conversor 5V
Con estas graficas se puede obtener el valor obtenido de eficiencia a máximo consumo en este conversor
el cual fue:
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Figura 19. Temperatura en 1 hora de consumo a potencia requerida
Según hoja de especificaciones del integrado del módulo, si el circuito alcanzara los 65º C debería usar
refrigeración o disipador. Para esto se realizó una prueba en la que se deja el conversor trabajando 1 hora a
la carga necesaria para obtener el valor de corriente máxima necesaria para cumplir especificaciones del
sistema. Como se puede evidenciar en la gráfica en se alcanza una temperatura máxima de 46. 5 º C lo que
nos permite utilizar el conversor sin necesidad de un disipador.
Con esto ahora podemos saber cuál es la corriente de salida que debe entregar el conversor de 12V la cual
sería la máxima calculada según el consumo de los motores adicionando la corriente que consume el
conversor DC/DC a máxima salida:
Con esto podemos obtener los valores requeridos para el convertidor de 12 V:
Vin 19,6V
Vout 12V
Iout 4,45A Tabla 4. Valores para escogencia de conversor DC/DC 12V
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Con esto se escoge el módulo de potencia basado en el integrado XL4016:
Figura 20. Conversor Buck DC/DC 12V
Con el siguiente circuito esquemático:
Figura 21. Circuito esquemático módulo DC-DC Buck 12V
El cual tiene las siguientes características:
Hasta 40V de voltaje de entrada
Capacidad de hasta 8 A de corriente continua a la salida
Alta eficiencia hasta del 96%
Protección a corto circuito
Protección térmica
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Protección de sobre voltaje
Y se realizan pruebas con una carga que permita evaluar los requerimientos para el conversor y obtenemos
lo siguiente:
Figura 22. Corriente de entrada y salida conversor DC/DC 12 V
Figura 23. Voltaje de entrada y salida conversor DC/DC 12V
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Figura 24. Temperatura en 1hr de consumo a máxima carga de conversor DC/DC 12V
Con lo anterior se puede evidenciar que se cumplen los requerimientos de corriente requerida para el
funcionamiento correcto de los motores y el convertidor que se tiene en cascada, además de esto la medida
de temperatura durante una hora nos muestra que no se sobrepasa el límite de temperatura (65ºC) que
señala el fabricante para necesitar un sistema de refrigeración extra.
4.2 Parte 2 Sistema de tele-operación
El desarrollo del sistema de tele-operación se divide en 2 sub-partes, la primera es la transmisión de datos
de video que permite al conductor tener una vista en primera persona de la cadena articulada y la segunda
es la transmisión de datos de mando que dan la posibilidad de controlar al robot conectándose con el
mando a un pc que se encuentre en la misma red local que la serpiente. Este sistema tiene el siguiente
diagrama de bloques general:
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Figura 25. Diagrama de bloques de sistema de tele-operación
4.2.1 Transmisión de video en vivo FPV (First Person View)
Para la transmisión de video en la tele-operación se utilizó el módulo de cámara Raspberry V1.3, por
compatibilidad con el sistema actual, la facilidad de instalación en la Raspberry y su pequeño tamaño, lo
que facilita la inclusión de esta en el modelo del robot. Esta cuenta con las siguientes características
básicas:
Tamaño 24x25x9 mm
Resolución 5 megapíxeles
Modos de video 1080p30 720p60 y 640 x480p60/90 Tabla 5. Características cámara Raspberry
Figura 26. Cámara Raspberry Pi V1.3
Para la transmisión de video se realizó un software en Python en donde la Raspberry actúa como servidor
al cual podrán acceder todos aquellos que se encuentren dentro de la red local. La configuración del
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servidor es en HTTP en el cual se actualizarían los datos de video captados por la cámara una vez se
realice la conexión de un cliente.
La codificación de video se realizó en MJPEG, teniendo en cuenta los siguientes factores: no se necesita
transmisión de audio, MJPEG ofrece una alta calidad en video y bajo tiempo de procesamiento en
compresión, En la figura # se muestra una imagen tomada por el sistema de captura
Figura 27. Imagen tomada por la cámara FPV
El siguiente es un diagrama de flujo que representa la operación del sistema implementado:
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Figura 28. Diagrama de flujo de sistema de transmisión de video
4.2.2 Transmisión de datos de mando:
Para la transmisión de datos de mando se realizó un proceso similar al de la transmisión de video en donde
la Raspberry actuó como servido y el PC como cliente teniendo así una conexión bilateral entre estos dos,
en donde se enviarán datos de mando desde el PC a la Raspberry y se enviarán estados de modo de
movimiento actual de la Raspberry al PC. En este caso la comunicación se realiza por medio de un puerto
TCP.
Los datos de mando son tomados del mando de PlayStation®3 (DualShock®3), teniendo en cuenta la
misma utilización que se le da en [1] en donde se trabaja con los módulos que ofrece la librería pygame en
Python y se realiza la conexión del mando al sistema por medio una conexión bluetooth. Se realizó el
mapeo correcto de los botones con el fin de que estos estuvieran en el mismo orden en el que están en la
Raspberry, ya que entre sistemas operativos estos varían, el mapeo quedo de la siguiente forma:
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Tabla 5. Tabla de asignación de dato de mando del DualShock®3
Una vez mapeado el mando, se procede a realizar una adaptación del código desarrollado por [1]
modificando la fuente de donde se obtienen los datos de mando, obteniéndolos ahora de la información
proveniente del puerto TCP designado en la comunicación bilateral.
El sistema cliente servidor tiene el siguiente esquema, teniendo en cuenta que este funciona en base al
sistema de tele operación realizado por [1] este será llamado Sistema de tele-operación AKIO para más
facilidad.
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Servidor:
Figura 29. Diagrama de flujo de servidor en sistema de transmisión de datos de mando
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Cliente:
Figura 30. Diagrama de flujo de cliente en sistema de transmisión de datos de mando
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4.3 Diseños de modelos en 3D
Una vez escogidos los diferentes elementos a añadir a la cadena articulada es necesario encontrar un
espacio para estos dentro del robot de tal forma que esto no entorpezca la mecánica del robot y permita su
buen funcionamiento, por esto se realizaron 2 diseños uno para una nueva cabeza de la serpiente, la cual
debe tener suficiente espacio para el conversor DC/DC de 5 voltios que alimentara la Raspberry y la
cámara. El segundo será una cola que se encargará de albergar el conversor DC/DC de 12 V que alimentar
los motores y el conversor de 5V.
Los diseños realizados fueron los siguientes:
Cabeza:
Vista frontal:
Figura 31. Vista frontal de diseño de cabeza en 3D
Vista trasera:
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Figura 32. Vista trasera de diseño de cabeza en 3D
Cola:
Vista frontal:
Figura 33. Vista trasera de diseño de cola en 3D
Vista trasera:
31
Figura 34. Vista frontal de diseño de cola en 3D
Con estas nuevas piezas se pudo obtener una idea de cómo será el robot en su totalidad con la herramienta
de diseño en 3D:
Figura 35. Vista frontal de robot recreado en 3D
Figura 36. Vista lateral de robot recreado en 3D
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Figura 37. Vista trasera de robot recreado en 3D
Una vez se tuvieron las piezas impresas, se realizó el ensamblaje del robot. En las siguientes imágenes
podemos observar la versión pasada(AKIO) y la actual.
Figura 38. Foto de la cadena articulada de la versión anterior
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Figura 39. Foto de la cadena articulada con nuevas partes 3D ensambladas
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5 PROTOCOLO DE PRUEBAS
En esta sección se busca realizar una evaluación de los sistemas implementados en el robot, estos se
realizarán comparando el desempeño del sistema en 2 partes, evaluando primero el sistema de distribución
de potencia implementado, y segundo el sistema de tele-operación.
El sistema de potencia se evaluará realizando las mismas medidas realizadas para la escogencia de los
conversores utilizados evaluando los niveles de voltaje y corriente consumidos por los actuadores y la
Raspberry.
El sistema de tele-operación será evaluado como una comparación de 2 pruebas seguidas, una estando en
presencia del robot y otra estando en un lugar aparte de este con el fin de evaluar la efectividad del sistema
diseñado respecto al desempeño del sistema anterior [1]. Además de esto se evaluará el tiempo de
respuesta del robot con el nuevo sistema de tele-operación que ya no solo consta de una conexión
bluetooth sino además de una conexión entre puertos TCP, entre el PC y la Raspberry.
5.1 Evaluación del sistema de potencia:
Como se mencionó anteriormente el sistema de potencia implementado se evaluará realizando olas misma
pruebas de 30 segundos en los principales modos de movimiento de la cadena articulada, en donde se
realizarán medidas de corriente a la salida del conversor DC/DC de 12 V y el valor de voltaje en el último
modulo para así tener noción de la corriente total entregada por este conversor y el valor máximo de caída
de voltaje presente en los motores. Además de esto se realizará la medida de voltaje y corriente que se
entrega a la Raspberry Pi 2 con el fin de evaluar también el conversor DC/DC de 5V.
Los modos de movimiento en los que se realizó la prueba son:
Progresión lineal con 6 ondulaciones a máxima velocidad y amplitud.
Desplazamiento lineal con 6 ondulaciones máxima velocidad y amplitud.
Modo cobra.
No se realiza desplazamiento con ruedas o locomoción con llantas pasivas al ser considerada poco diestra
por el trabajo realizado en [1].
5.2 Evaluación del sistema de tele-operación:
Para la evaluación del sistema de tele-operación se tuvieron en cuenta 2 aspectos, la posibilidad de operar
el robot en un circuito por medio de la visión en primera persona y ya que el robot es orientado a
exploración de terrenos se evaluó además la capacidad de encontrar objetos a lo largo de dicha pista. La
pista en la que se realizó la prueba fue la siguiente:
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Figura 40. Pista de prueba de tele-operación
Para la realización de esta prueba se utilizarán 2 modos de movimiento: el modo cobra y las marchas
guiadas. Estos son explicados previos a la prueba por medio del manual de usuario realizado por [1], se da
una vuelta de reconocimiento con el manual para aprender a utilizarlo en presencia del robot. Después se
le enseñan 3 objetos que se distribuirán por la pista, el conductor deberá parar en las esquinas de colores
cambiar a modo cobra y buscarlos, los objetos son los siguientes:
36
Figura 41. Objeto 1 en prueba de tele-operación
Figura 42. Objeto 2 en prueba de tele-operación
37
Figura 43. Objeto 3 en prueba de tele-operación
Una vez realizado esto se procede a comenzar la prueba, en donde se realiza la grabación del robot desde
la pista y de lo obtenido en la transmisión de vida en vivo del sistema de tele-operación con el fin de
analizar lo implementado.
5.3 Evaluación de tiempo de respuesta
Para realizar esta medida se realiza una grabación en cámara lenta con una cámara que puede grabar a 240
fps (fotogramas por segundo), en donde se evaluara el tiempo de respuesta de un botón, se realizara la
prueba oprimiendo el botón que hace que la serpiente adopte la posición de desplazamiento lateral.
38
6 ANÁLISIS DE PRUEBAS
6.1 Análisis de sistema de distribución de potencia
Para analizar el desempeño del sistema de potencia implementado se realizaron las mismas medidas
realizadas para el diseño de este. Primero se realizó la medida de voltaje en un tiempo de 30 s en cada tipo
de movimiento, con el fin de comparar con la Figura 11 en donde se obtuvo un voltaje promedio en la
gráfica de 10.14 V, el resultado fue el siguiente:
Figura 45. Voltaje en ultimo módulo de la cadena con sistema de distribución de potencia implementado
Con esto se obtuvo los siguientes valores promedio para cada modo de movimiento:
Promedio de voltaje en progresión lineal: 11.2 V
Promedio de voltaje en desplazamiento lateral: 11.5 V
Promedio de voltaje en modo cobra: 11.7 V
Promedio de voltaje en todos los modos: 11.46 V
Con esto podemos observar que se logró aumentar el voltaje promedio aproximada mente en 1.3 V lo que
nos permitió que en todos los modos de movimiento se trabajara más cerca de los valores nominales dados
por el fabricante los cuales son de 9 a 12 V con 11.1 V como valor recomendado.
Además de esto se realizaron nuevamente las medidas de corriente en los mismos modos de movimiento a
la prueba anterior los resultados fueron los siguientes:
39
Figura 46. Consumo de corriente en la cadena articulada con sistema de distribución de potencia implementado
En donde se obtuvo un valor de consumo de corriente máximo de 4.74, un poco por encima del valor
máximo de corriente calculado, pero no pone en riesgo el funcionamiento ya que las especificaciones del
conversor que entrega esta corriente están por encima de este valor, podemos notar también que los
valores promedio obtenidos aquí son muy similares a los obtenidos al principio e incluso un poco más
bajos teniendo en cuenta que a este valor de consumo también hace parte lo necesario para suplir al
conversor DC/DC de 5V que alimenta la Raspberry. Esto se debe a que se está entregando más voltaje a
los motores por lo que estos necesitan menos corriente para suplir la potencia necesaria en sus
movimientos.
A continuación, se muestra una tabla de comparación de estos valores:
Antes de distribución de
potencia
Con sistema de distribución de
potencia
Desplazamiento Lineal 1.93 A 1.8 A
Progresión Lineal 2.01 A 1.91 A
Modo Cobra 1.03 A 1.18 A Tabla 6. Tabla de comparación de consumo de corriente entre antes y después de la implementación del sistema de distribución de potencia
40
Figura 47. Consumo de corriente de Raspberry con sistema de tele operación
En la presente grafica se puede observar los valores de consumo alcanzados por la Raspberry con la carga
que genera el sistema de tele-operación implementado, además se puede inferir que el convertidor
implementado en la red de distribución de potencia puede satisfacer las necesidades de consumo de la
tarjeta ya que esta está consumiendo en promedio 381.86 mA lo cual es un valor por debajo del valor al
cual se sometió a pruebas el conversor en la sección de desarrollo.
6.2 Análisis del sistema de tele-operación
Para analizar los resultados del sistema de tele-operación implementado se tomaron 2 videos de cada
recorrido por el circuito, uno proveniente de la cámara de transmisión de video en vivo incorporado en la
cadena y otro grabado desde la pista, además de esto se realiza una grabación en cámara lenta para
analizar el tiempo de respuesta del robot con el sistema de tele-operación integrado.
6.2.1 Análisis de operación por usuarios
Para la evaluación del desempeño se tuvieron en cuenta los siguientes aspectos, tiempo de circuito,
numero de colisiones y objetos encontrados, dichos videos se pueden encontrar en el Anexo #.
A continuación, se encuentran algunas imágenes tomadas en la prueba tanto desde la vista en primera
persona como de grabación desde la pista:
41
Figura 48. Captura de pantalla de video en tele-operación
Figura 49. Captura de pantalla de video en tele-operación
42
Figura 50. Captura de pantalla de video en tele-operación
Figura 51. Captura de pantalla de enfoque de objeto buscado por medio de vista en primera persona
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Figura 52. Captura de pantalla de enfoque de objeto buscado por medio de vista en primera persona
Figura 53. Captura de pantalla de enfoque de objeto buscado por medio de vista en primera persona
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Después de realizar pruebas con diferentes usuarios se analizaron los videos teniendo en cuenta lo dicho
anteriormente, con esto obtuvimos los siguientes diagramas:
Figura 48. Diagrama porcentual de numero de objetos encontrados
En donde podemos observar que un 50% de los conductores pudieron encontrar los 3 objetos en los puntos
clave, mientras que un 33% encontró solo 2 y un 17% 1. No hubo ningún conductor que no encontrara
ninguno.
Además de esto medimos las veces que se tuvieron colisiones que ocasionaran la pérdida de control del
robot y se tuvo que intervenir en la pista para continuar la tele-operación. Se obtuvo que un 30 % de los
conductores tuvieron problemas en el circuito y requirieron intervención para continuar con la prueba.
Con respecto al tiempo de realización de la prueba se obtuvo lo siguiente:
Circuito más rápido 4:30
Circuito más lento 7:44
Tiempo promedio 5:50 Tabla 7. Duración de circuitos
6.2.2 Análisis de tiempo de respuesta
La grabación se realiza con una vista superior y se presiona la tecla L2 en el modo de movimiento
Marchas Guiadas, una vez se presiona la tecla por medio delos fotogramas, sabiendo que la cámara graba
a 240 fotogramas por segundo, se evalúa cuando este comando llega a los motores.
En el video obtenido en el Anexo A se puede observar como después de 32 fotogramas los motores
reciben la señal teniendo entonces:
Aproximadamente 70ms por encima de lo medido en [1]
17%
33%
50%
NUMERO DE OBJETOS ENCONTRADOS
1 2 3
45
7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El presente proyecto logró implementar un sistema de transmisión de potencia que entrega a cada una de
las partes claves del robot, como lo son su actuadores y computador a bordo, sus valores de potencia
nominales, mitigando problemas en la operación a causa de las pérdidas generadas por el uso de un
conductor de longitud no despreciable para su operación.
Se logró dar a la cadena articulada diferentes aspectos claves de un robot de búsqueda y rescate, entre
estos la vista en primera persona del robot y una distancia de teleoperación entre el driver y el conductor
escalable ya que el enlace se realiza por medio de una red local (LAN). Lo que permite realizar tareas de
exploración y reconocimiento de terrenos remotos al conductor del robot.
Con el nuevo sistema de alimentación no solo se resuelven los problemas de potencia planteados en el
modelo antiguo, sino que además se suma la posibilidad de aumentar la longitud del conductor de
alimentación para que la cadena articulada pueda acceder a lugares remotos con menos limitación.
Es pertinente pensar en un sistema de estabilización de la cabeza del robot que permita que las imágenes
obtenidas por la cámara, le den al usuario mayor comodidad en la tele-operación al contar con una visión
un poco más estable y le permitan orientarse mejor frente a el terreno explorado.
En el modo cobra se tiene un gran rango de movimiento de la cabeza y por ende de la cámara del robot,
esto tiene como consecuencia que en algunos ángulos de movimiento la cámara se encuentre al revés o
sobre uno de sus costados, esto trajo diferentes complicaciones para la operación del robot en este modo
por medio de los usuarios ya que perdían la orientación de movimiento y se desubicaban. Dicho esto, una
posible mejora al modo cobra sería un sistema de orientación dinámica de los datos de video, además de
una evolución dinámica de los datos de mando en función de la posición para así dar al usuario más
comodidad y orientación en este modo de movimiento.
46
8 REFERENCIAS
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i ,” 2017
[2] V D F G , “ g ió g i y q i i ió i ,” 54, 2012
[3] J F ó z, F C ó , C , “S v y i f h ifi i f f f
locomotion in a modular snake- ik ,” 1–6, 2012.
[4] J L G Q , “R g C ,” Editor. Limusa, vol. 9, pp. 1–9, 2010.
[5] “h ://www i i y / - g ” .
[6] igik y, “h ://www igik y / / i / hz /2017/ / i g-the-advantages-
and-disadvantages-of-linear- g ”
[7] W , “MJ EG v M EG4,” 845, 2002
[8] R y i F i , “I i g h R y i 2 - M B,” 1–23, 2015.
[9] G O E A T V ik y, “I i f y f v i
y i g I f R y i,” 2017 2nd IEEE Int. Conf. Recent Trends Electron.
Inf. Commun. Technol., pp. 86–89, 2017.
[10] X Q Li, X Di g, Y Zh g, Z S , H W Zh , “I T f i y y i,”
Proc. - 2016 Int. Conf. Inf. Syst. Artif. Intell. ISAI 2016, pp. 622–625, 2017.
[11] L. I. z C y, “M k -like hyper- h i f i y i ,”
p. 74, 2011.
[12] C. Wright, A. Buchan, B. Brown, J. Geist, M. Schwerin, D. Rollinson, M. Tesch, and H. Choset,
“D ig hi f h ifi k ,” Proc. - IEEE Int. Conf. Robot.
Autom., pp. 4347–4354, 2012.
[13] k D i , “h :// y h g/3/ i y/ k h ”
[14] i k y h i , “h :// y h g/3/ i y/ i k h ”
[15] Sony. (2017). DualShock®3 Wireless Controller. Retrieved May 30,
“h ://www y i / -us/explore/accessories/dualshock-3- 3/ ” .
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9 ANEXOS
9.1 Anexo A
Este anexo corresponde a los videos tomados para las pruebas de tele-operación realizadas, tanto como de
manejo como de tiempo de respuesta
https://drive.google.com/open?id=1aMo9-01fQ9VbG8JZxuNllVDWETeCl9h5
9.2 Anexo B
El presente anexo contiene los archivos de software del sistema de tele-operación en la Raspberry Pi 2
tanto de control del robot como de transmisión de datos de video
https://drive.google.com/open?id=1v7QsTOPYPNY1rMht4zb7Lab5AfcZemJ6
9.3 Anexo C
Este anexo contiene los archivos de software de la base de tele-operación la cual es el PC con sistema
operativo Linux Mint.
https://drive.google.com/open?id=1PbWXNEKBQ16BpxpXpYBBUcmQSuRLnibw
9.4 Anexo D
Este anexo contiene los modelos diseñados en 3D provenientes de las partes de la cabeza y cola del robot
https://drive.google.com/open?id=1X1I6AsRmkOhji7nzIIq3VXSMdH3pp5xJ