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La Mecatrónica en México

Comité Editorial de la Revista

Diseño Gráfico Mónica Vázquez Guerrero

Kikey Stephanie Méndez Sánchez Alejandra Miguel Vargas Mandujano

Vinculación Luis Alberto Aguilar Bautista Luis Antonio Salazar Licea

Miguel Ángel Bacilio Rodríguez

Revisión de Formato Rodrigo Escobar Díaz-Guerrero

Conrado Vargas Cabrera Alejandro de León Cuevas Ángel Juárez Buenrostro

Soporte Técnico Carlos Alberto Ramos Arreguín

Juan Carlos Moya Morales Ma. Del Carmen García López

Ubaldo Geovanni Villaseñor Carrillo

LA MECATRÓNICA EN MÉXICO, Año 4, No. 1, Enero - Abril 2015, es una publicación cuatrimestral editada por la Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C., Calle Fonología No. 116, Col. Tecnológico C.P. 76158, Querétaro Qro. Tel.(01- 442) 224 0257. www.mecamex.net/revistas/LMEM/ , Editores responsables: Juan Manuel Ramos Arreguín y José Emilio Vargas Soto. Reserva de Derechos al uso exclusivo No. 04-2014-060218514400-203 otorgado por el Instituto Nacional del Derecho de Autor. Responsable de la última actualización este número: Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C., José Emilio Vargas Soto, Calle Fonología No. 116, Col. Tecnológico C.P. 76158, Querétaro Qro. Fecha de terminación de impresión: 20 de Diciembre del 2015. Las opiniones expresadas por los autores de los artículos no reflejan la postura de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. Esta revista es una publicación de acceso abierto, distribuido bajo los términos de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C., la cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre y cuando los trabajos estén apropiadamente citados, respetando la autoría de las personas que realizaron los artículos.

PROLOGO

Iniciamos este año 2015 con mucha energía y entusiasmo para continuar la difusión de desarrollos tecnológicos a través de la revista La Mecatrónica en

México. De esta forma la Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. mantiene una labor decidida en documentar en ésta ocasión cuatro trabajos, los cuales han sido seleccionados por el comité técnico.

Deseo expresar mi gratitud a los autores por los interesantes artículos que

han realizado, así como al comité técnico por las revisiones que nos permiten asegurar la calidad de los trabajos presentados. Estoy convencido que esta información nos permitirá adentrarnos a profundizas en los diferentes temas que se desarrollan, así como en explorar posibilidades en la aplicación de las tecnologías desarrolladas.

Aprovecho la ocasión para invitar como siempre a nuestros lectores en

conocer y difundir los trabajos aquí presentados, los invito a que juntos continuemos difundiendo los proyectos que se encuentran en investigación y desarrollo, y que continuemos colaborando en la consolidación intelectual de la comunidad académica interesada en la Ingeniería Mecatrónica.

Dr. José Emilio Vargas Soto Fundador Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.

ÍNDICE Uso de Tecnologías Open Source en el Desarrollo de Sistemas de Control de Helióstatos Benitez Baltazar Victor Hugo, Pacheco Ramírez Jesús Horacio, Iriarte Cornejo Cuitlahuac y Rodríguez Carbajal Ricardo Alberto.

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Propuesta de Generación de Secuencias de Movimientos de un Robot Bípedo de Arquitectura Abierta

López Sandoval Andrés Ernesto, Reyes Cruz Luis Ángel, González Trejo José Enrique, Pedraza Ortega Jesús Carlos, Ramos Arreguín Juan Manuel, Tovar Arriaga Saúl y Vargas Soto José Emilio.

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Diseño Asistido por Computadora para la Implementación de una Estación Repetidora en el ITSLP (XE2PTS) Díaz de León Zapata Ramón, Balderas Rivera Itzcoatl, Muñoz Cruz Oscar, Lara Velázquez Ismael y González Contreras Francisco Javier.

.

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Desarrollo de Aplicación Domótica con Comunicación Inalámbrica Bluetooth Sotelo Martínez Samuel, Olivo Flores Marco Antonio

y Rodríguez Ortíz Juan Gabriel.

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La Mecatrónica en México, Vol. 4, No. 1, páginas 1 - 11, Enero 2015 Disponible en línea en www.mecamex.net/revistas/LMEM ISSN en trámite, 2014 Derechos de autor y derechos conexos, Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C

1

Uso de Tecnologías Open Source en el Desarrollo de Sistemas de Control de Helióstatos

Benitez Baltazar Victor Hugo, Pacheco Ramírez Jesús Horacio, Iriarte Cornejo Cuitlahuac y Rodríguez Carbajal Ricardo Alberto.

Departamento de Ingeniería Industrial Área de Mecatrónica

Universidad de Sonora Hermosillo, Sonora, México

[email protected]

Resumen En el éste artículo se presenta una estrategia basada en herramientas Open Source, para implementar algoritmos de control aplicados a una instalación termosolar de tecnología de Torre Central ubicada en las instalaciones del Campus de Agricultura de la Universidad de Sonora. Se consideran las ventajas de las herramientas Open Source como son: bajo costo, facilidad de adquisición, disponibilidad, documentación, etcétera, las cuales resultan atractivas para países en vías de desarrollo como México. El enfoque presentado puede ser usado para implementar estrategías que aceleren el tiempo de desarrollo bajo presupuestos reducidos y limitados como los típicos de las economías en desarrollo. En este artículo, se implementa y se pone a prueba, un esquema de control en lazo cerrado en tiempo real en la Plataforma Solar Hermosillo, ubicada al noroeste de México, la cual, sirve como plataforma de prueba para el desarrollo de tecnología termosolar. Palabras clave: Energía renovable, Controlador embebido, Algoritmos de concentración solar.

1. Introducción Uno de los principales retos a enfrentar en la tecnología de Planta de Torre Central Solar, es el control de los helióstatos. El helióstato es un dispositivo electromecánico capaz de redirigir los rayos solares hacia un punto específico por medio de un espejo. En [1] y [2] se muestra el diseño de un prototipo de helióstato y la implementación de algoritmos de control en tiempo real llevados a cabo en el Departamento de Ingeniería Industrial de la Universidad de Sonora. A lo largo de los años se han propuesto diversas estrategias de diseño de helióstatos como se menciona en [3] y del campo de helióstatos como se detalla en [4], para reducir costos y optimizar la captación de energía térmica. La experiencia adquirida en el diseño de sistemas de control de seguimiento solar, así como su implementación en tiempo real [1], ha demostrado dos tendencias a considerar en su desarrollo; por una parte, el tema del diseño de estructuras de control y su implementación en tiempo real no ha sido suficientemente abordado por la comunidad científica en México, evidencia de ello es la escaza literatura reportada. Los trabajos publicados en el diseño de controladores para sistemas de seguimientos solar son pocos [2], [5], [9], [10] a pesar de que existen ya instalaciones tecnológicas en pleno desarrollo que requieren de sistemas de control, la gran mayoría de ellos, utilizan técnicas de visión artificial, cuya implementación es costosa y compleja. En este último sentido, el tema del costo de desarrollo de estrategias de control adecuadas al problema del seguimiento solar es de suma importancia en una economía emergente como México, si es que se desea efectivamente tener presencia en el área de las energías renovables en el ámbito internacional. Los bajos presupuestos en


2

ciencia y tecnología, comparados con los países desarrollados [11], [12], obliga a los investigadores a buscar estrategias de desarrollo económicas y confiables. En este artículo se discutirá el reto de implementar estrategias de control dentro del marco de la tecnología de torre central solar y se presentará una propuesta del uso de herramientas open source como plataformas de desarrollo viables económicamente por ser de especial interés para la comunidad científica que investiga en el área de las fuentes renovables de energía, el desarrollo de esta clase de tecnología.

2. Concentración solar Existen diferentes tecnologías para producir potencia eléctrica usando la energía solar, las cuales, pueden ser clasificadas como directas e indirectas [5]. Las primeras usan celdas fotovoltaicas mientras que las segundas, en general, se caracterizan por colectar y concentrar la potencia solar para producir vapor y ser usado por una turbina para generar potencia eléctrica. La potencia eléctrica producida por metodologías indirectas utiliza principalmente las siguientes tecnologías: canal parabólico, plato parabólico, fresnel lineal y torre central solar (TCS) como es posible observar en la Fig. 1.

Figura 1. Tecnologías de concentración solar. La tecnología TCS se caracteriza por la utilización de espejos colocados sobre estructuras electromecánicas llamadas helióstatos, para colectar la energía solar en un receptor central montado en lo alto de una torre. Por más de 30 años, el desarrollo de TCS se ha venido suscitando, desde los primeros esfuerzos serios llevados a cabo por los laboratorios Sandia, Westinghouse y General Electric, como se constata en [6], [7], [8], hasta las modernas instalaciones de la PS10, PS20 y Gemasolar inauguradas en años recientes en España. Actualmente existen varios proyectos ambiciosos en Estados Unidos, España, China y Sudafrica; el más grande de estos, llevado a cabo en el proyecto Ivanpah que pretende instalar un complejo de tres TCS con capacidad de más de 350 MW de potencia eléctrica anual. En México, se han dado los primeros pasos en la Plataforma Solar Hermosillo (PSH), anteriormente conocida como Campo de Prueba de Helióstatos, la cual, consta actualmente de un campo con diversos prototipos de helióstatos, véase Fig. 2.


3

Figura 2. Plataforma Solar Hermosillo.

3. Algoritmos de seguimiento solar

Los sistemas de concentración requieren de un sistema de control de seguimiento solar, con la precisión suficiente para un funcionamiento óptimo. En la literatura se pueden encontrar diversos algoritmos de seguimiento solar, los cuales se pueden agrupar en dos categorías: los de precisión astronómica y los de precisión limitada. Los primeros se caracterizan por usar ecuaciones complejas que determinan con alto grado de precisión la posición solar. Los últimos son sencillos computacionalmente, con una gran cantidad de simplificaciones en las relaciones astronómicas y requieren de una mínima cantidad de datos de entrada para calcular el vector solar. Ejemplos de algoritmos simples computacionalmente, se pueden encontrar en [13], [14], [15]. Algoritmos de alta complejidad se detallan, por ejemplo en [16], [17]; a esta última categoría pertenece el algoritmo SPA (Solar Position Algorithm), cuya precisión para calcular el vector solar ronda en +-0.0003º y es usado como referente para validar los algoritmos existentes en la actualidad.

3.1 Antescedentes

En la PSH, se ha trabajado en la implementación de diferentes algoritmos de control. Todos ellos con éxitos parciales como se ha reportado en [1], [19], [20], [21]. Sin embargo, el costo de implementar una estrategia de control integral, para un campo de helióstatos, no ha sido realizado. Los algoritmos han sido diseñados para controlar no más de tres helióstatos y su desempeño depende en gran medida del hardware seleccionado. La mayoría de controladores que se han implementado en la PSH están implementados en PC y en CompactRIO. Los costos económicos de estos desarrollos experimentales son altos; usar estas plataformas de hardware para el control de cientos de unidades de helióstatos es una estrategia que no parece viable con los presupuestos en ciencia y tecnología actuales. Más aún, se requiere desarrollar plataformas de hardware �hechas a la medida�; el hardware hasta ahora utilizado contiene prestaciones más allá de las requeridas para el control de helióstatos. Los sistemas embebidos basados en microcontrolador son una opción viable para afrontar los retos del seguimiento solar. Existen en el mercado diversos controladores basados en sistemas embebidos y en la PSH se ha implementado un algoritmo de control en lazo abierto para el control de una matriz de mini helióstatos con microcontrolador cuya patente se encuentra en trámite.


4

3.2 Herramientas Open Source Para continuar con el desarrollo e implementación de algoritmos de control de helióstatos, se propone el uso de herramientas open source como una estrategia viable desde el punto de vista económico y técnico. Son bastantes conocidas en la comunidad, tanto el hardware como el software de código abierto. Para este caso se han seleccionado dos herramientas de código abierto donde se implementará un algoritmo de control en lazo cerrado para mini helióstatos ubicados en la PSH. Se utilizó Arduino para la implementación del algoritmo de control y Processing para la visualización de resultados. La estrategia de control diseñada se muestra en la Fig. 3.

Figura 3. Estrategia para la implementación del algoritmo de control.

El sistema cuenta con potenciómetros como sensores de posición en cada actuador. El algoritmo implementado es el desarrollado en [1]. Se usa la tarjeta Arduino UNO basada en el microcontrolador ATMEGA328. El control de los actuadores, los cuales son de tipo stepper motor, se lleva a cabo por medio de un microcontrolar PIC16F84. Finalmente, los resultados son mostrados en tiempo real por medio de una interfaz gráfica diseñada en Processing. El costo estimado de esta plataforma experimental no es mayor de 70 dlls, siendo evidente la oportunidad de reducir costos de desarrollo al usar esta estrategia de prototipado rápido.


5

Figura 4. Campo de Helióstatos. 3.3 Algoritmo

El algoritmo desarrollado pertenece a la categoría de algoritmos de precisión limitada como se mencionó en la sección II. De acuerdo a la Fig. 4, sea el rayo de luz proveniente del sol; el rayo de luz reflejado hacia un punto de la torre y el vector normal al plano del espejo. Los tres vectores anteriores se pueden representar como

(1)

Las componentes del vector se pueden definir en términos de la posición del helióstato y del concentrador al cual apunta de acuerdo a la Fig. 4. Si la posición del helióstato se determina por las coordenadas (X, Y, Z) y H es la altura del concentrador, entonces se define por sus componentes como

(2)

Considerando que, el vector proveniente del Sol , puede ser determinado por la latitud , el ángulo horario solar y el ángulo de declinación solar ; la latitud es una constante que depende de la región geográfica, mientras que y se pueden calcular por (3)

(4)

(5)

donde N = 1, 2,�, 365, es el número de día del año; entonces, las componentes de , se determinan como


6

(6) De las leyes de la reflexión se cumple que (7) con lo cual, se pueden encontrar las compoentes de

(8)

El ángulo de elevación , se calcula por medio de las componentes de y de las propiedades del producto punto (9) (10) El ángulo acimutal depende del cuadrante donde esté ubicado el helióstato. Para un cuadrante

el acimut se calcula como

(10)

En la Fig. 5 se muestra el diagram a bloques de la implementación del algoritmo de control usando el entorno Processing/Arduino y el microcontrolador PIC.


7

Figura 5. Implementación de algoritmos.

Tabla 1. Comportamiento del ángulo de elevación y del error generado en la implementación.

Hora Valor

Verdadero Comando del Motor

Comando del Motor

Cuantizado | Error|

6:00 22.9798 36.6764 37 0.3236 6:01 23.1129 36.5387 37 0.4613 6:02 23.2455 36.4284 37 0.5716 6:03 23.3777 36.2907 37 0.7093 6:04 23.5094 36.1804 37 0.8196 6:05 23.6407 36.0427 37 0.9573

3.4 Corrección de error

El cálculo en tiempo real de los ángulos y , introduce un error numérico debido al método de diferencias finitas empleado, al tipo de actuador usado y al mecanismo de transmisión. En [1] se propone un algoritmo de corrección de error, el cual es implementado y evaluado en el algoritmo. Para propósitos de claridad, en la tabla 1 se muestra el comportamiento del ángulo de elevación y el correspondiente error generado por el actuador. Si dicho error no se mantiene acotado, origina problemas de deriva como se analiza en [20]. Con un enfoque de lazo abierto no hay garantía de que el error de seguimiento se mantenga acotado, como se constata en la tabla 1, donde, a partir de un conjunto de datos, se muestra el


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comportamiento del error para cinco minutos de calculos. Con el propósito de implementar un esquema en lazo cerrado, se instalaron potenciómetros en los actuadores de tal forma que se contara con un mecanismo de feedback económico. En la Fig. 6 se muestra la implementación de la interfaz basada en Processing, en donde se muestran los ángulos de seguimiento, la hora del día, y el número de pasos discretos del motor en intervalos de un minuto.

Figura 6. Interfaz gráfica basada en Processing.

4. Resultados

En esta sección se muestran los resultados de la implementación del algoritmo de seguimiento empleando herramientas open source, bajo la siguientes restricciones:

· Velocidad del viento menor a 20 Km/h · Cielo despejado · Tiempo de prueba de 1 hora de seguimiento.

Vale la pena señalar que hasta el momento no existen condiciones formalmente definidas sobre las restricciones para conducir las pruebas experimetales. Se requiere más investigación que defina claramente un protocolo de pruebas de los sistemas de control para el seguimiento solar. En las Figs. 7 a la 14, se muestran los resultados de seguimiento solar en un intervalo de 1 hora a diferentes distancias de la torre. El controlador tiene un tiempo de actualización de 1 minuto, el cual se considera suficiente dada la dinámica lenta de la planta. La distancia de 200 m es la más alejada de la torre (Fig. 13) y es donde se instalará en su momento, el helióstato más lejano del campo. En las Figs 12 y 12, se puede notar además, las aberraciones ópticas causadas por las imperfecciones del espejo y por la distancia existente entre el objetivo y el espejo mismo. Otra causa de esta deformidad de la mancha solar mostrada en las Figs 12 y 14, es ocasionada por el procedimiento de adhesión entre el espejo y la superficie metálica que lo soporta. Como se puede apreciar, el algoritmo implementado tiene un comportamiento aceptable a diferentes distancias. En las figuras 8, 10, 12 y 14, se puede apreciar la mancha solar reflejada en la cima de la torre a diferentes distancias del heliostato. En todas ellas se aprecia que la mancha solar se mantiene en la misma posición durante el tiempo de la prueba, lo cual consituye el objetivo principal de la concentración solar, como fue discutido en la sección II.


9

Figura 7. Helióstato a 25 m de la torre.

Figura 8. Imagen del rayo solar reflejado a 25 m de la torre.






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5. Conclusiones y discusión

Un algoritmo de seguimiento solar con retroalimentación ha sido implementado utilizando herramientas open source, de facil adquisición y de bajo costo. La arquitectura de control propuesta permite implementar lazos de control de posición por medio de sensores tipo potenciómetro para los ángulos de acimut y elevación. Un algoritmo de corrección de error de seguimiento fue evaluado con un desempeño adecuado. Por los resultados obtenidos, se puede concluir que es viable el uso de Arduino como plataforma de diseño de un sistema de control embebido para helióstatos. Sin embargo, algunas consideraciones deben de tomarse en cuenta en el uso de este tipo de herramientas. El seguimiento del vector solar es dependiente del tiempo. Por lo tanto se debe de contar con un sistema de cálculo de la hora en tiempo real. Existen diversos circuitos integrados en el mercado capaces de realizar esta función. En el diseño presentado se obtuvo el valor del reloj desde Processing, lo cual introduce un error por retrasos en el tiempo lo cual, no es conveniente. Las altas temperaturas y el ambiente desértico propios de las instalaciones de las plantas termosolares hacen del tema de la robustez, un tópico bastante serio al momento de seleccionar una plataforma embebida para el diseño del controlador. Herramientas open source como la usada en este trabajo, son adecuadas para acelerar el proceso de diseño ya que son excelentes para realizar pruebas bajo condiciones de laboratorio, pero no han sido suficientemente evaluadas en un ambiente hostil como el de la Plataforma Solar Hermosillo. Agradecimientos: Los autores agradecen al CONACYT por el apoyo económico brindado con el financiamiento del proyecto bajo la convocatoria del Programa de Estímulos a la Innovación con el proyecto número 199330.

Referencias [1] V H. Benitez, J. Pacheco-Ramirez and N. Pitalua-Diaz, �Developing a Mini-heliostat Array for a

Solar Central Tower Plant: A Practical Experience,� Intelligent Automation & Soft Computing, Vol. 20, no. 2, pp. 263 � 277, 2014.

[2] V. H. Benitez, C. A. Eredias y H. M. Ramírez, "Síntesis de señales de control para seguimiento solar y su aplicación a un prototipo de helióstato," VIII CIINDET, pp. 1-6, Cuernavaca, Morelos, 2010.

[3] X. Wei et al., �A new method for the design of the heliostat field layout for solar tower plant,� Renewable Energy, vol. 35, no. 9, pp. 1970-1975, sept. 2010.

[4] G. J. Kolb et al., "Heliostats cost reduction study," SAND2007-3293, Sandia National Laboratory, June 2007.


11

[5] E. F. Camacho and M. Berenguel, �Control of Solar Energy Systems,� Preprints of the 8th IFAC Symp. on Adv. Control of Chemical Processes, Riverfront, Singapore, July 10-13, 2012.

[6] R. S. Baheti, P. F. Scott, �Adaptive control and calibration of heliostats,� Decision and Control including the Symposium on Adaptive Processes, 1980 19th IEEE Conference on, pp. 298 - 300, 10-12 Dec. 1980.

[7] R.S. Baheti and R.F. Scott, "Design of Self-Calibrating Controllers for Eeliostats in a Solar Power Plant." I E E Transactions on Automatic Control," vol. AC-25, no. 6, 1980.

[8] D. A. Herbert and G. A. Mutone, �A distributed computer control configuration for a heliostat array field�, Decision and Control including the Symposium on Adaptive Processes, 1980 19th IEEE Conference on, pp.1062,1063, 10-12 Dec. 1980.

[9] M. Berenguel, F.R. Rubio, and A. Valverde, �An artificial vision-based control system for automatic heliostat positioning offset correction in a central receiver solar power plant,� Solar Energy, vol. 76, no. 5, 2004, pp. 563-575.

[10] X Zhu, X. Mi, K. Lin and W. Huang, "Precise sun-tracking control of heliostats based on a sun's image reference system," Control and Decision Conference (2014 CCDC), The 26th Chinese, pp. 2745,2748, May 31, 2014-June 2, 2014.

[11] Kurt Unger, �Rentabilidad, innovación y políticas de apoyo a Investigación y Desarrollo en México. Una evaluación de los estímulos fiscales a la innovación�. Reporte de Investigación elaborado para el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), México, Conacyt, 2008.

[12] Disponible en línea : http://datos.bancomundial.org/indicador/GB.XPD.RSDV.GD.ZS, consultado 25/07/2014.

[13] P.I. Cooper, �The absorption of radiation in solar stills,� Solar Energy, vol. 12, no. 3, 1969, Pages 333-346.

[14] L. O. Lamm, �A new analytic expression for the equation of time,� Solar Energy vol. 26, pp. 465. [15] J. W. Spencer, �Fourier series representation of the position of the Sun,� Search. 2, no. 5. [16] J. J. Michalsky, �The astronomical almanac�s algorithm for approximate solar position (1950�

2050),� Solar Energy vol. 40, no. 3, pp. 227�235. [17] C. L. Pitman and L. L. Vant-Hull, �Errors in locating the Sun and their effect on solar intensity

predictions. In: Meeting of the American Section of the International Solar Energy Society, Denver, 28 Aug 1978, pp. 701�706.

[18] Zolkapli, M.; Al-Junid, S.AM.; Othman, Z.; Manut, A; Mohd Zulkifli, M.A, "High-efficiency dual-axis solar tracking developement using Arduino," Technology, Informatics, Management, Engineering, and Environment (TIME-E), 2013 International Conference on , vol., no., pp.43,47, 23-26 June 2013.

[19] C. A. Estrada, et. al., �Laboratorio nacional de sistemas de concentración solar y química solar,� Informe Técnico, Proyecto Conacyt LN-56918, febrero � diciembre 2010.

[19] C. A. Estrada, et. al., �Laboratorio nacional de sistemas de concentración solar y química solar,� Informe Técnico, Proyecto Conacyt LN-56918, febrero � diciembre 2010.

[20] M. Escobar-Toledo, et al., �Analysis of drift phenomena in heliostat images,� Proceedings of the ASME 2012 6th International Conference on Energy Sustainability, July 23-26, , San Diego, CA, USA, 2012.

[19] M. G. David, Sistema de Control para un Conjunto de Helióstatos, Tesis de Maestría, Centro de Investigación en Energía, UNAM, 2011.


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Propuesta de Generación de Secuencias de Movimientos de un Robot Bípedo de Arquitectura Abierta

López Sandoval Andrés Ernesto, Reyes Cruz Luis Ángel, González Trejo José

Enrique, Pedraza Ortega Jesús Carlos, Ramos Arreguín Juan Manuel, Tovar Arriaga Saúl y Vargas Soto José Emilio.

Facultad de Informática, Universidad Autónoma de Querétaro.

Av. de las Ciencias S/N Campus Juriquilla, Juriquilla, CP 76230 Querétaro. [email protected]

Resumen En el presente trabajo se muestra una estrategia para la generación de secuencias de movimientos de un robot bípedo de arquitectura abierta de doce grados de libertad. Esta estrategia se basa en el modelo cinemático directo mediante el algoritmo de Denavit-Hartenberg, utilizando la plataforma de Kinect junto con el software de animación Blender. La primera etapa de la estrategia consiste en un análisis mecánico de la estructura del robot bípedo así como de la locomoción humana con las herramientas Kinect y Blender para comprender la forma en que se realiza: como las fases y movimientos que se involucran en este proceso biomecánico. La segunda parte de la estrategia se refiere al análisis y modelo cinemático de una pierna del robot bípedo, posteriormente la realización de una simulación de este modelo, que nos permita entender el comportamiento de cada uno de los eslabones que conforman la pierna del robot al modificar sus parámetros y relacionarlos con los resultados obtenidos del análisis de la locomoción humana. Por último se implementara el modelo cinemático en el software de animación Blender para la generación de secuencias de movimiento y replicarlas en la pierna física del robot bípedo. Palabras clave: Robot bípedo, humanoide, biomecánica, Cinemática directa.

1. Introducción Generar secuencias de movimientos en robots humanoides similares a las que realizamos los humanos es uno de los principales motivos por los que se desarrollan robots humanoides y representa una tarea muy compleja debido a la gran cantidad de elementos y factores que se involucran en este proceso como: los grados de libertad del robot, el tipo de actuadores y de sensores, la mecánica del robot y su estructura [1]. En los últimos años, esta parte de la robótica ha tenido un gran avance debido a que varias Universidades y empresas han realizado una ardua investigación y desarrollos, algunos de estos comercializados con la finalidad de brindar entretenimiento o proporcionar algún servicio. Por ejemplo el ASIMO de Honda es uno de los robots más avanzados del mundo y representa más de dieciocho años de investigación por parte de la empresa Japonesa, este robot puede realizar tareas como servir café, saludar, responder preguntas correr, subir escaleras, saltar, entre otras [2][3]. Otros robots humanoides desarrollados por Universidades han aportado un gran conocimiento en esta área de la robótica como: El robot NimbRo-OP desarrollado por la Universidad de Bonn en Alemania, este robot posee veinte grados de libertad y utiliza el sistema operativo ROS diseñado especialmente para trabajos de robótica, es un proyecto de plataforma abierta [4]. Otro robot humanoide muy avanzado y de importante aporte es el robot �HRP-4C�, desarrollado por el Instituto


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Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón, mide 1,58 centímetros, pesa 43 kilogramos y tiene un rostro de silicón. Este robot puede imitar los movimientos del cuerpo humano. El robot puede simular alegría, sorpresa o enfado gracias a los ocho motores ocultos bajo su rostro, que obedecen a las órdenes humanas. El robot humanoide mueve su cuerpo articulado de aluminio, gracias a otros treinta actuadores, que le permiten mover los brazos y las piernas. Como estos desarrollos, se han realizado muchos más, usando distintos modelos matemáticos y técnicas para la generación de secuencias de movimientos [5]. Cada robot desarrollado posee una particular estructura mecánica distinta, al igual que distintos grados de libertad, distintos actuadores y sensores, esto produce que la forma de caminar de cada uno de los robots sea diferente y por consecuencia también los movimientos que generan, de igual manera se sabe que aunque la forma en que caminamos los humanos es similar unos con otros, pero no llega a ser idéntica [6].

2. Estrategia El objetivo es desarrollar un método para la generación de secuencias de movimientos de un prototipo de un robot bípedo de arquitectura abierta (utilizando plataformas como Arduino [14]), basado en el análisis y modelado de la cinemática directa, que permita la libertad de modificar sus parámetros mediante el software de animación Blender y permitiendo hacer una réplica de la secuencia de movimientos en el prototipo de robot bípedo; de esta manera realizar secuencias de caminata y equilibrio para un posterior análisis que nos permita construir una estrategia de locomoción heurística que sirva como ayuda para trabajos futuros en esta misma rama de la robótica. La estrategia utilizada se muestra en la figura 1.

Figura 1. Estrategia propuesta utilizada.

2.1 Análisis de la locomoción humana con Kinect y Blender

Para el movimiento de las piernas del robot se realizó un análisis de la locomoción humana a través de la observación y captura de los movimientos de cuatro personas cuando caminan, mediante Kinect [7], Ni Mate [8] y Blender [9], Ni Mate mediante el sensor de profundidad del Kinect es capaz


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replicar los movimientos de una persona en tiempo real, con Blender se importaron los movimientos a través de un esqueleto y se grabaron la secuencias de cuatro personas diferentes para caminar como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Grabación de movimientos a través Kinect con NI Mate y Blender.

Una vez grabados los movimientos en un esqueleto en el entorno 3D de Blender, mediante el entorno de animación y gestión de movimientos, tenemos acceso a la información de la rotación de las articulaciones básicas del esqueleto en las coordenadas X, Y y Z, así como también una gráfica, generada por la posición de la articulación en cada uno de los fotogramas de la grabación (como se muestra en la figura 3), se realizó por separado el análisis de cada parte del cuerpo en una solo componente a través de filtros para ajustarse lo más posible a los grados de libertad del robot; como cada persona y robot construido tiene una manera particular y única de caminar y moverse, se generalizaron los movimientos más básicos y se adecuaron al exoesqueleto del robot.

Fig. 3. a) Componentes de rotación X, Y y Z de la articulación de la pierna. b) Grafica de rotación de la

pierna derecha en la componente X. c) Fotogramas de la grabación de la camita. d) esqueleto que replica los movimientos de la persona grabada.

2.2 Modelado y Simulación de la Cinemática Directa

El sistema que describe el movimiento de las piernas del robot consiste de seis articulaciones prismáticas, tres de ellas en la cadera, que giran la pierna en los ejes Z, X, y Y respectivamente, una articulación en la rodilla, una más en el tobillo y una en el pie, estas últimas permiten realizar


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movimientos en los ejes X y Y (movimientos de flexión y de inclinación), como se muestra de una manera más detallada en la tabla 1. La figura 4 muestra el diagrama del diseño de la pierna del robot bípedo con las seis articulaciones prismáticas [10][11].

Tabla 1. Propiedades de las articulaciones del robot bípedo.

Utilizando el diagrama de las articulaciones con sus sistemas de referencias, se obtuvieron los parámetros de Denavit-Hartenberg para el modelado de la cinemática directa de la pierna del robot. Estos parámetros además de un conjunto de transformaciones de translación y rotación nos permiten conocer la orientación y posición de cada uno de los eslabones de la pierna del robot respecto a la base del robot. Los parámetros obtenidos de acuerdo a la convención de Denavit-Hartenberg son listados en la tabla 2. La solución de la cinemática directa mediante el algoritmo de Denavit-Hartenberg da como resultado una matriz de transformación homogénea por cada uno de los eslabones de la cadena articulada del robot respecto a una base fija o sistema de referencia 0 [12][13]. Estos sistemas pueden

ser representados mediante una matriz i

i A1- donde i es el eslabón al que se realiza la transformación

de coordenadas respecto al eslabón i-1, quedando la matriz del eslabón final respecto a la base del robot de la siguiente manera:

***** 65

54

43

32

21

10

60 AAAAAAA = (1)

Fig. 4. Diseño de la pierna del robot bípedo.

Articulación �

Pie x

Tobillo y

Rodilla Y

Muslo1 Y

Muslo2 X

Cadera Z


16

1000

60

úúúú

û

ù

êêêê

ë

é

=zazoznz

yayoyny

xaxoxnx

prrr

prrr

prrr

A

Tabla. 2. Parámetros de Denavit-Hartenberg.

Articulación ia ia iq id

1 1a 0 0 1d

2 0 0 2q 0

3 2/pi 3l 3q 0

4 0 4l 4q 0

5 0 5l 5q 0

6 2/pi- 0 6q 0

La ecuación 2 describe la posición y orientación del eslabón final (pie del robot bípedo) respecto a la base (la parte superior de la cadera) mediante la multiplicación de cada una de las matrices de transformación homogénea como lo indica la ecuación 1 y utilizando los parámetros de la tabla 2.

(2)

Donde:

)cos()cos( 65431 qqqqqrnx +++= (3)

)sin(

)cos(cos2

)cos(

)cos(

2

1

32

6541

6541

6541

÷÷÷÷÷

ø

ö

ççççç

è

æ

+

++

++++

+----

=

qq

qqq

qqq

qqq

rny a

a

a

(4)

)sin(2

)sin(2

)cos(

)cos(

)cos(

)cos(

4

1

6541

6541

654321

654321

654321

654321

÷÷÷÷÷÷÷÷

ø

ö

çççççççç

è

æ

+++

+---

-+++++

-+++--

+---++

------

=

qqq

qqq

qqqqq

qqqqq

qqqqq

qqqqq

rnz

a

a

a

a

a

a

(5)

)sin( 32 qqrox +-= (6)

)cos(cos 321 qqroy += a (7)

sin)cos( 132 aqqroz += (8)

)sin()cos( 65432 qqqqqrax +++-= (9)


17

)sin(2

)sin(2

)cos(

)cos(

)cos(

)cos(

4

1

6541

6541

654321

654321

654321

654321

÷÷÷÷÷÷÷÷

ø

ö

çççççççç

è

æ

+++

----

-+++++

++++--

----++

------

=

qqq

qqq

qqqqq

qqqqq

qqqqq

qqqqq

ray

a

a

a

a

a

a

(10)

)sin(

)sin(sin2

)cos(

)cos(

2

1

654

321

6541

6541

÷÷÷÷÷

ø

ö

ççççç

è

æ

++

+

-+++

+---

=

qqq

qq

qqq

qqq

raz a

a

a

(11)

( ) )cos(cos)cos( 54544332 qqlqllqqpx ++++= (12)

( ) )sin(sinsin

)sin())cos(cos(cos

545441

325454431

qqlql

qqqqlqllp y

++

-++++=

a

a (13)

( )( )

sinsin)sin(sin

sincoscossincoscos

cos)sin(sincos

sinsincoscoscos

sinsincoscoscos

543215

55154515

4432144

3154532

21545331

qqqql

qqlqql

qlqqql

qqqllq

qqqllqdpz

+

-+

+++

++

+++=

a

aa

a

a

a

(14)

Teniendo esta serie de matrices, se puede determinar la orientación y posición de cada uno de

los eslabones de la pierna del robot, respecto a la base, que en este caso es la cadera fija. Utilizando este modelo, se realizó una animación mediante una interfaz gráfica en MATLAB que nos permita variar los parámetros del algoritmo de Denavit-Hartenberg, es decir, mediante esta interfaz con su respectiva grafica podemos observar y manipular los eslabones correspondientes a la configuración de la pierna del robot (como se muestra en la figura 5), además de que nos permite conocer la orientación y posición de cada uno de los eslabones respecto a la base del robot, para analizar el comportamiento, flexiones y movimientos posibles que pueda realizar una pierna del robot bípedo.

Fig. 5. Animación cinemática directa de la pierna del robot bípedo.


18

2.3 Cinemática Directa con Blender. Blender es un Software open Source, conformado por una gran variedad de herramientas para el desarrollo de contenido 3D y 2D, integrado por modelado, mapeo uv, animación, simulaciones, scripting, entre muchos más; con su código fuente disponible bajo la licencia GNU GPL. Mediante este software se realizaron simulaciones de la cinemática directa, este proceso se realizó importando y ensamblando cada una de las piezas que conforman el exoesqueleto de la pierna del robot bípedo en el entorno 3D de Blender, al importar las piezas con el formato �STL�, Blender respeta las características y dimensiones de los polígonos que forman la pieza en 3D, de esta forma es más fiable realizar simulaciones con respecto al modelo original; mediante la generación de un esqueleto que se incorpora a la estructura de la pierna del robot, el cual está integrado por 6 huesos poligonales unidos por una articulación, cada uno de ellos simula los grados de libertad con los que está conformado el robot bípedo, como se muestra en la figura 6, cada uno de estos huesos, está ligado con las piezas que se desplazan con respecto a cada grado de libertad, en este caso a cada servomotor, estos huesos son capaces de moverse y girar en las componentes X, Y, y Z, en el entorno 3D, pero para la simulación de la pierna solo se considera la rotación de la articulación en un solo componente dependiendo de la ubicación del servomotor, como se muestra en la tabla 1. De esta forma se realizaron distintas poses de la pierna del robot bípedo considerando la cinemática directa. Para mover la pierna en un punto deseado, se rotan cada uno los huesos con respecto a su articulación hasta obtener la pose requerida, con este procedimiento se pueden saber y obtener los grados que se requieren rotar para cada servomotor.

Fig. 6. Pierna del robot bípedo en Blender.

3. Análisis de resultados

Uno de los importantes resultados obtenidos es el análisis de la locomoción humana con Kinect y Blender, esto nos permitió observar los diferentes tipos de movimientos que generan la cadera, rodilla y tobillo para realizar el proceso de caminata como se muestra en la figura 7. Se realizó un modelo de la cinemática directa de una pierna de seis grados de libertad del robot bípedo para describir el comportamiento de cada uno de los eslabones al modificar los ángulos de sus articulaciones, para comprobar este modelo se realizó la animación, la cual calcula la posición de las partes de la estructura articulada del robot. Obteniendo de esta manera la posición del eslabón final con respecto a la base de la cadena articulada, como se muestra en el siguiente video: (youtube: http://goo.gl/cS4AB4 ). Utilizando esta parte de la investigación se logró tener una referencia para la consecuente secuencia de movimientos que se desarrolló para la pierna del robot bípedo mediante Blender y el


19

diseño de la pierna. Esto es de gran importancia para tener mejor referenciada la ubicación de la posición de los eslabones conforme vaya variando en nuestro ciclo de caminata. Algunos resultados de las pruebas realizadas se muestran en el siguiente video (youtube: http://goo.gl/KbSSIv ).

Fig. 7. Grafica de movimiento de cada una de las articulaciones de la pierna del robot bípedo

implementadas en Blender.

4. Conclusiones

Se analizó la locomoción humana con varias personas mediante el uso de distintas herramientas, que nos permitirá tener un marco de referencia para la generación de secuencias de movimientos para la caminata del robot bípedo. Se realizó un modelado matemático de la cinemática directa del robot bípedo así como una animación que sirvió como punto de partida para el modelo de la pierna del robot en Blender. Se realizaron secuencias de movimientos en Blender para su réplica en la pierna del robot bípedo, de esta manera tenemos un análisis más claro de los movimientos que se necesitan para realizar la locomoción del robot bípedo. Se propone como trabajo futuro el modelo en Blender del robot bípedo completo para generar secuencias de movimientos y realizar la réplica mediante Blender con Python y Arduino, de tal manera que se genere una secuencia de locomoción básica del robot.

Referencias

[1] Craig J., �Introduction to Robotics Mechanics and Control�, Pearson Education Inc, United States of America, 3ra edición, 2005.

[2] Historia de los robots de Honda, http://www.abadiadigital.com/historia-de-los-robots-de-honda-del-proyecto-e0-a-asimo/ [Fecha de consulta: 20 de julio de 2014].

[3] ASIMO website, http://asimo.honda.com/ [Fecha de consulta: 18 de julio de 2014]. [4] NimbRo-OP website, http://www.nimbro.net/OP/ [Fecha de consulta: 2 de Febrero de 2014] [5] Kajita S., Morisawa M., Miura K., Nakaoka S., Harada K., Kaneko K., Kanehiro F., Yokoi K.,

"Biped Walking Stabilization Based on Linear Inverted Pendulum Tracking�, Proceedings of 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.4489-4496, 2010.

[6] Rodríguez A., Cruz C., Vite, A., �Generación de trayectorias para marcha semi-estática de un robot bípedo: diseño y pruebas experimentales�, Ingeniería, Revista Académica de la FIUADY, 15-2, pp 57-68, ISSN: 1665-529-X, 2011.


20

[7] Borenstein, G., �Making Things See: 3D vision with Kinect, Processing, Arduino, and MakerBot�. O'Reilly Media, Inc.. 2012

[8] NI Mate website, http://www.ni-mate.com/ [Fecha de consulta: 7 de abril del 2014]. [9] Blender website, http://www.blender.org/ [Fecha de consulta: 12 de abril del 2014]. [10] Spong M., Hutchinson S., Vidyasagar M., �Robot Modeling and Control�, John Wiley Sons, INC.

1st Edition, United States, 2005. [11] Barrientos A., Peñin L., Balaguer C., Aracil R., �Fundamentos de Robótica�, MacGraw-Hill,

España, 1ra edición, 1997. [12] Aníbal B., �Robotica (manipuladores y robots móviles)�, Alfaomega � Marcombo, España, 1ra

edición, 2001 [13] Adly M., Amirfaiz W., Faizura, W., Elamvazuthi, I, Begam M., �Design and kinematic analysis of

biped robot�. In Intelligent and Advanced Systems (ICIAS), 2010 International Conference on (pp. 1-5). IEEE. 2010.

[14] Arduino website, http://arduino.cc [Fecha de consulta: 10 de abril de 2014].


21

Diseño Asistido por Computadora para la Implementación de una Estación Repetidora en el ITSLP (XE2PTS)

Díaz de León Zapata Ramón1,2*, Balderas Rivera Itzcoatl2, Muñoz Cruz Oscar2, Lara

Velázquez Ismael2, González Contreras Francisco Javier1.

1Coordinación para la Innovación y la Aplicación de la Ciencia y la Tecnología, Universidad Autónoma de San

Luís Potosí, Sierra Leona 550, Lomas 2a Sección, SLP, México.

Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Mecatrónica, Instituto Tecnológico de Sal Luis Potosí, Av. Tecnológico s/n Soledad de Graciano Sánchez, San Luis Potosí, C.P. 78437, México.

*[email protected]

Resumen La instalación y operación de una estación repetidora del servicio de aficionados requiere el trámite de

un permiso especial que, entre otros aspectos, implica la elaboración de un estudio denominado �información

técnica descriptiva� en la que se debe plasmar detalles de predicciones de cobertura según la topología del

terreno y el tipo de emisión de la antena, etc.

La elaboración del estudio, se basa en la norma oficial mexicana NOM-EM-086-SCT1-1994 publicada en

el año de 1994 y la que no ha sido modificada desde entonces. Dicha norma sugiere procedimientos manuales

pero deja abierta la posiblidad de hacer uso de tecnologías o métodos más eficientes y eficaces.

Con el avance en la computación y el impulso de proyectos como el �Space Shuttle Radar Terrain

Mapping Mission� (SRTM), que además pone sus resultados a disposición gratuita de quien lo requiera, se ha

creado software capaz de usar mapas cartográficos a los que se les añade o superpone de manera interactiva,

las ecuaciones o funciones de la teoría electromagnética para simular el comportamiento de las transmisiones de

radio y su cobertura, como el programa �Radio Mobile� de Roger Coudé.

Se desarrolla en el presente trabajo los resultados del estudio para la elaboración del informe técnico

descriptivo asistido por computadora (CAD) para la instalación y operación de la estación repetidora del

servicio de aficionados del Instituto Tecnológico de San Luis Potosí.

Palabras clave: Simulación, CAD, Telecomunicación, Estación de radio.

1. Introducción La instalación y operación de una estación del servicio de aficionados requiere un estudio técnico denominado �información técnica descriptiva� cuyas secciones medulares se encuentran descritas en la Norma Oficial Mexicana NOM-EM-086-SCT1-1994 publicada en el Diario Oficial de la Federación [1]. Desde la fecha de publicación de esta norma, en el año de 1994, han ocurrido avances significativos en la manera en que se pueden obtener los datos predictivos solicitados con una sencillez, precisión y representaciones visuales muy superiores a las que se tenía alcance en aquellos años. Dado también que la norma en su sección de apéndices informativos a la letra dice: �Se hace notar que el método de predicción se recomienda por práctico,

reconociéndose que pueden existir otros que arrojen resultados mejores y que en todo caso se pueden considerar para su aceptación�, se ha optado por utilizar como herramienta de apoyo para el presente estudio, el programa de cómputo denominado �Radio Mobile�.


22

El �Radio Mobile� es un programa Gratuito de simulación de propagación escrito por Roger Coudé - VE2DBE, que opera en el rango de frecuencias de 20 MHz a 20 GHz. Se basa en la última versión del modelo de propagación sobre Terreno Irregular ITM (Longley-Rice). El programa permite implementar mapas de elevaciones usando los datos del �Space Shuttle Radar Terrain Mapping Mission� (SRTM), pudiendo añadirse curvas de nivel y cartas camineras, junto con las especificaciones de las llamadas unidades de radio que son las estaciones transmisoras y/o receptoras y emplazarlas donde se requieran. El desempeño individual de cada unidad de radio se caracteriza por sistemas con propiedades específicas en lo que respecta a: potencia, sensibilidad, parámetros de antena etc. y en todos los enlaces de radio programados es posible examinar los perfiles del tramo y los parámetros de la señal. Si se requiere, puede producir diagramas de cobertura de señales de unidades de radio múltiples o individuales, o encontrar los mejores sitios para su instalación en un mapa, para proporcionar cobertura de radio a un número especificado de unidades de radio. También con la prestación �Route Radio Coverage� (cobertura de rutas) se puede generar el desempeño

de comunicación con una unidad de radio que se desplaza por una ruta definida en un mapa, como así mismo es posible utilizar los datos de la ruta con la prestación Mejores sitios, a fin de proporcionar una cobertura completa de dicha ruta. La prestación Mejores Unidades de Radio de un conjunto definido de estas unidades, proporciona el trazado del máximo nivel de señal y la razón Señal a Interferencia de una ubicación específica. También está disponible la cobertura combinada de Radio de un selecto número de unidades, como así mismo el trazado de la suma de las señales de múltiples unidades en cada ubicación [2].

2. Simulación del trazado de perfiles Si bien el programa puede calcular el mejor lugar (por ejemplo dentro de la ciudad o en sus cercanías) para instalar la estación repetidora, en este caso la ubicación ya está predeterminada para ubicarse en el laboratorio de electrónica del ITSLP a una altura máxima de 30 metros sobre el nivel del piso. Sabiendo la ubicación, se localiza ésta en el mapa según las coordenas que pueden obtenerse directamente de los mapas de google, a través del uso de la interfaz del mismo programa �Radio Mobile� o conociendo la cuadrilla (�grid�) que a su vez puede ubicarse fácilmente con el uso de algún dispositivo de telefonía dotado con GPS o con un GPS independiente. En este caso se ubicó el punto en un mapa de google importado por el programa, como se aprecia en la figura 1.

Figura 1. Ubicación de la estación Repetidora.

Los datos de elevación del terreno se han obtenido de bases de datos del proyecto �Space Shuttle Radar Terrain Mapping Mission� (SRTM) y han sido reconstruidos en forma de imagen con la ayuda de google maps, como se aprecia en la figura 2.


23

Figura 2. Captura de pantalla donde se aprecia la dirección electrónica de la

descarga de archivos SRTM para el cálculo de elevaciones.

Cabe señalar que la mejor resolución para nuestro país es de 1 segundo de arco, lo cual implica una muy buena resolución, ya que para Europa se tiene una resolución de 3 segundos de arco (mucha menor resolución) y para Estados Unidos de Norte América una resolución de 1/3 de arco (una excelente resolución). La figura 3 muestra el perfil de elevaciones con una escala de colores alrededor de la ciudad de San Luis Potosí en un radio de aproximadamente 50 kilómetros y sobre la cual posteriormente se le sobrepondrá el mapa con las calles y carreteras para una mejor referencia de las ubicaciones.

Figura 3. Perfil de elevaciones para el terreno de cobertura de la estación repetidora.

Se aprecia en la gráfica la ubicación de la estación base.

Posteriormente se alimenta al programa con las características generales que tendrá la estación repetidora, según se aprecia en la figura 4, y en donde algunos de los parámetros son estándares internacionales considerados por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT).

Figura 4. Parámetros de la Estación Repetidora.


24

El rango de frecuencia de operación se ajustó de 144 a 146 MHz, la refractividad de la superficie en 801 (sin unidades), la Conductividad de la tierra en 0.005 S/m, la permitividad relativa de la tierra en 15 (sin unidades), con una polarización vertical (por el tipo de antena a utilizarse), condiciones de temperatura continentales citadinas con una máxima pérdida de la señal por absorción de edificios y estructuras de concreto de 10%. El patrón de radiación de la antena propuesto se aprecia en la figura 5.

Figura 5. Patrón de radiación de la antena tipo J

a ser utilizada en la estación repetidora.

Los resultados se aprecian en el mapa de perfiles del área de cubrimiento según la topología de elevación del terreno y el patrón de radiación en la figura 6. En la misma imagen se representan los rangos de potencia en una escala de colores correspondiente a las intensidades máximas y mínimas de potencia efectiva detectable en �V.

Figura 6. Mapa de perfiles del área de cubrimiento o servicio según la topología de elevación del terreno obtenido con

el programa �Radio Mobile�. En el centro se aprecia la ciudad de San Luis Potosí con su respectivo anillo periférico.

3. Simulación y obtención de las predicciones

Con base en los resultados del apartado anterior, se detalla a continuación el procedimiento para la obtención de las predicciones con el uso del programa �Radio Mobile�. Dado que el mapa contiene las alturas del terreno del área bajo análisis, se utiliza una propiedad del programa �Radio Mobile� en la que es posible sobreponer una rejilla con una resolución de 1 km cuadrado que servirá como referencia para ubicar las alturas directamente sobre el mapa, como se aprecia en la figura 7.


25

Figura 7. Mapa con enrejado en escala de 1 km cuadrado por división. Se aprecia en la esquina inferior derecha un

cuadro con las elevaciones en que se desea averiguar el dato al hacer click sobre el punto de interés en la imagen.

Se han trazado 8 radiales desde el centro que representa la ubicación de la estación repetidora (líneas rojas punteadas), cada uno a 45º con el primer radial apuntando al norte geográfico. En cada radial se tomaron un total de 20 puntos para calcular el promedio, separados un máximo de 500 m según la norma NOM-EM-086-SCT1-1994 (para nuestro caso, dos lecturas por cada recuadro del mapa). Los datos tomados y el promedio solicitado se aprecian en la tabla 1.

Tabla 1. Datos obtenidos por cada radial y el respectivo promedio.

4. Material y equipo Dadas las características de ubicación de la estación repetidora dentro del laboratorio de electrónica, se contará con todo el material necesario para la instalación, operación, mantenimiento preventivo y correctivo, además de equipo adicional sofisticado para asegurar de manera permanente su óptimo funcionamiento y aprovechamiento, como son osciloscopios, espectrómetros, multímetros e instrumentación virtual a través de interfaces con programas de cómputo como LabView, Matlab, Mathematica, etc. La línea de alimentación de la antena se realizará con cable coaxial RG58 de 50 ohms de impedancia. La antena será omnidireccional con un diseño tipo J para la banda de 2 metros con una ganancia máxima de 6 dB. La figura 8 muestra el diseño correspondiente a la antena [3].


26

Figura 8. Antena tipo J para la banda de 2 metros. a) Abrazadera para los tubos. b) Contra abrazadera del inciso a,

con sección para montaje en mástil. c) Tubos de la antena. d) detalle del acoplamiento de los tubos para formar la

antena.

5. Resultados Se construyó y puso en operación la repetidora con los resultados esperados congruentes con la simulación en el área de interés que corresponde a la mancha urbana y zona conurbada de la ciudad de San Luis potosí, realizando un recorrido en los alrededores de la estación y la periferia de la ciudad recibiéndose una excelente calidad de audio, previa calibración del sistema a través de un analizador de antena RigExpert modelo AA-520 [4], con los resultados mostrados en la gráfica de la figura 9.

Figura 9. Resultados de la calibración de antena entonada en una frecuencia de 146 MHz.


27

El equipo transceptor se ajustó a una potencia de salida máxima de 20 W que fueron medidos con la ayuda de un Wattmetro marca MFJ modelo 844, como lo muestra la figura 10.

Figura 10. Potencia máxima de salida del transmisor de la estación repetidora del ITSLP.

6. Conclusiones La simulación de las condiciones de propagación en el terreno nos permite prever condiciones especiales a tomar en cuenta en la implementación final de la repetidora, así como optimizar los recursos económicos y de inversión de tiempo en el análisis y generación de datos. Además, gracias al esfuerzo conjunto de varias áreas de la ciencia, la ingeniería y la tecnología, fue posible diseñar, construir y caracterizar en su totalidad los parámetros de operación de una estación repetidora del servicio de aficionados para el Instituto Tecnológico de San Luis Potosí. El uso de software profesional pero gratuito, así como la colaboración de alumnos en el presente estudio, ha dado como resultado una entusiasta participación y un apropiamiento del conocimiento sin precedentes, acentuando el carácter técnico � científico de la actividad de radio aficionado, convirtiéndose en una actividad permanente en el ITSLP, así como un escaparate que sin duda ha influido a varios estudiantes para convertirse en radio aficionados. La colaboración multidisciplinaria jugó un rol fundamental, pero es igualmente relevante enfatizar que el trabajo interinstitucional UASLP � ITSLP ha sido parte importante del éxito en estas conclusiones.

Agradecimientos Los autores agradecen el apoyo financiero otorgado por el consorcio CEMIE-Solar a través del pryecto 32. Se agradece también todas las facilidades otorgadas por las autoridades del Instituto Tecnológico de San Luis Potosí para la operación y mantenimiento de su estación de radio aficionados.


28

Referencias

[1] Dario Oficial de la Federación, Tomo CDXCV No. 10 México, D.F., jueves 15 de diciembre de 1994. [2] Ian D. Brown. �Radio Mobile Handbook�. Antennex Online Magazine. E. E. U. U. 2013. ISBN: 1-877992-

48-8. [3] R. Dean Straw. �ARRL Antenna Book�. The American Radio Relay League, Inc. E. E. U. U. 2011. ISBN:

978-0-87259-694-8. [4] Rig Expert AA-520 Antenna Analyzer User�s manual. http://www.rigexpert.com Ucrania, 2014.


29

Desarrollo de Aplicación Domótica con Comunicación Inalámbrica Bluetooth

Sotelo Martínez Samuel1, Olivo Flores Marco Antonio1 y Rodríguez Ortíz Juan Gabriel2.

1 Ingeniería Mecatrónica. Universidad Tecnológica de San Juan del Río. Av. La Palma No. 125, Col. Vista Hermosa, C. P. 76806. San Juan del Río, Querétaro. Tel. (427) 129 2000.

2 Ingeniería Electrónica. Instituto Tecnológico de San Juan del Río. Av. Tecnológico No. 2, Col. Centro, C. P.

76800. San Juan del Río, Querétaro. Tel. (427) 272 4118.

Resumen

La domótica es un área relativamente nueva, de elevados costos. Incorpora nuevas tecnologías en los

edificios, en particular las que tienen que ver con la automatización, el ahorro energético, la seguridad y el

acceso a la información, para funciones de ocio, entretenimiento y confort [1]. El diseño de la aplicación con

tecnología bluetooth es una propuesta para la automatización domestica haciendo uso de medios inalámbricos

reduciendo el costo y haciendo mas accesible la domótica a personas que mas lo necesiten como lo son las

personas con capacidades diferentes.

La aplicación domótica con tecnología bluetooth implica distintas etapas como: un dispositivo móvil que

puede ser un teléfono móvil, un PDA (Asistente Personal Digital) o un ordenador, en todos los casos el

dispositivo debe contar con un sistema operativo Android y la aplicación App Inventor la cual se programará

para poder generar una señal por Bluetooth con intensidad suficiente para ser captada a cierta distancia por el

receptor HC-06 que a su vez interactúa con un controlador Arduino Mega que proporcionará las señales que

llevarán a cabo las acciones de control para la automatización deseada.

Palabras clave: Domótica, Automatización inalámbrica doméstica, Tecnología bluetooth.

1. Introducción

El termino domótica proviene de la unión de las palabras: domus (del latín, casa) y tica (de automática, en griego) y que literalmente significa: �casa automática� [2]. La domótica se ha convertido en un área de oportunidad cada vez más aceptada por la sociedad; así, el concepto de control inteligente aplicado a grandes edificios donde se incluyen cámaras de videovigilancia, sistemas de audio ambiental, sistemas de iluminación, redes informáticas, entre otras, obliga a renovar la idea de casa-habitación y/o edificios de oficina [3].

La tecnología domótica instalada actualmente en México está en proceso de aceptación y crecimiento y generalmente se utilizan sistemas alámbricos de control. Por tanto, el proponer sistemas alternos aplicados a la integración de diferentes tecnologías en el hogar u oficinas que generen confort, seguridad, ahorro energético y además de bajo costo, se convierten en una alternativa viable para su aceptación y consumo entre la sociedad.

El desarrollo de la tecnología inalámbrica aplicada a la domótica se engloba dentro de las siguientes tecnologías: Wi-Fi, bluetooth y ZigBee todas ellas bajo protocolo IEEE 802.15.4 para redes inalámbricas [4].

Hoy en día, la transmisión de datos a través de tecnología bluetooth y los dispositivos que la manejan son utilizados generalmente para uso personal, entretenimiento, envío de paquetes de datos en telefonía y pequeñas redes inalámbricas que facilitan la sincronización de datos entre equipos personales. A través del presente trabajo se busca verificar si la tecnología bluetooth tiene capacidad, fiabilidad y flexibilidad para realizar tareas de control en casa-habitación a fin de mejorar el confort, la seguridad y el ahorro de energía requerido en las aplicaciones domóticas.


30

A diferencia de otros trabajos desarrollados en el área donde se presenta un sistema domotico operado

mediante Notebook (Bogado, 2012); ahora, se opta por utilizar un dispositivo móvil en donde para el diseño de la aplicación domótica con tecnología bluetooth que se presenta se realizó un estudio previo donde se encontraron dos problemas particulares; el poco mercado de clientes producto del alto costo de las aplicaciones domóticas y el medio de transmisión utilizado en la aplicación, donde los sistemas alámbricos a pesar de ser actualmente los mas utilizados, requieren de una mayor instalación, de una modificación del lugar donde se implementará y de un incremento en el costo del producto final.

El resultado que se persigue en este proyecto es el desarrollo de un sistema operado mediante tecnología bluetooth para controlar inalámbricamente el encendido y apagado de lámparas y controlar la intensidad de iluminación generada por las mismas desde un teléfono celular o una tableta electrónica con sistema operativo Android.

Se espera tener un prototipo de menor costo, usando dispositivos y tecnologías de buena calidad pero comercialmente más accesible, como valor agregado, se pretende dirigirlo también para personas con capacidades diferentes o de la tercera edad que podrían mejorar su calidad de vida en su lugar de residencia.

2. Integración de la aplicación.

La domótica se clasifica según su medio de transmisión en los siguientes tres tipos: Cableado dedicado, red eléctrica y transmisión inalámbrica [5]. A pesar de que las aplicaciones con cableado dedicado son las mas utilizadas presentan inconvenientes en viviendas ya construidas que no disponen de una preinstalación de cable para redes domésticas, los cual puede resolverse utilizando medios inalámbricos.

2.1 Comunicación Bluetooth

Tecnología de comunicación inalámbrica presentada por SIG (Special Interest Group) en 1998, diseñada para reemplazar los cables que interconectan dispositivos de bajo consumo, corto alcance y bajo costo. Utiliza radiofrecuencia de 2,4 GHz en la banda ISM (Industrial, Cientific and Medical) [4]. El uso abierto al publico sin necesidad de licencias y requiere de un mecanismo de protección contra interferencias como técnicas de ensanchado de espectro. En la figura 1 se muestra una comparación entre las diferentes tecnologías inalámbricas existentes en el mercado.

ZigBee

(WPAN)

Bluetooth

(WLAN/WPAN)

Wi-Fi

(WLAN) Estándar 802.15.4 250 Kbps TX: 35 mA Standby: 3 µA 32-60 KB Memory 75 m alcance PMI

Estándar 802.15.1 10 Mbps TX: 40 mA Standby: 200 µA 100+ KB Memory 100 m alcance PMI

Estándar 802.15.11 54 Mbps TX: >400 mA Standby: 20 mA 100+ KB Memory > 100 m alcance PMI

Fig. 1. Comparación entre comunicaciones inalámbricas.

Se puede identificar una clara ventaja de Wi Fi sobre Bluetooth, su velocidad de transmisión, en contraparte Bluetooth tiene un menor consumo, el alcance para Wi Fi es un poco mayor, sin embargo esto se puede compensar con la clase de comunicación Bluetooth que se use. Clase 1, utilizado en aplicaciones industriales. Clase 2, utilizada en dispositivos móviles y Clase 3 generalmente poco utilizada, la figura 2 muestra sus potencias y alcances:

Clase Pot. Máx. Pot. Min. Alcance

1 100 mW. 1 mW. 100 m. 2 2.5 mW. 0.25 mW 10 m. 3 1 mW. NA 1 m. Fig. 2. Clases de comunicación Bluetooth.


31

2.2 Sistema Operativo Android

Es un sistema operativo basado en Linux® para dispositivos móviles como teléfonos, PDA, ordenadores

etc. Posee licencia Apache®, que es una licencia libre y de código abierto, este una razón por la cual se utilizará en el diseño de la aplicación domótica con tecnología bluetooth propuesta.

Una característica adicional en el uso de Android® tiene que ver con suficiente presencia en el mercado de

los dispositivos móviles y disponibilidad para la mayor parte de la sociedad. Sobre esto, en la figura 4 se puede ver la presencia de Android en el mercado a escala mundial.

Fig. 3. Inclusión de Android en el mercado.

2.3 Arduino Mega

Arduino® es una plataforma de desarrollo de computación de código abierto, basado en un entorno para la creación de programas, el lenguaje de Arduino es una implementación de Wiring (Código abierto para microcontroladores) una plataforma de computación física que a su vez se basa en Processing, un entorno de programación multimedia [6]. El Arduino Mega es una placa microcontrolador basada ATmega1280. Tiene 54 entradas/salidas digitales (de las cuales 14 proporcionan salida PWM), 16 entradas digitales, 4 UARTS (puertos serie por hardware), 16 entradas analógicas, un cristal oscilador de 16MHz, conexión USB, entrada de corriente, conector ICSP y botón de reinicio.

Fig. 4. Tarjeta Arduino Mega.

2.4 App Inventor

App Inventor® es una herramienta útil de programación, que permitir el desarrollo de aplicaciones para dispositivos móviles que usen el sistema operativo Android basada en Open Blocks Java library similar a programaciones como Scratch y StarLogo.

El App Inventor está integrado por un editor de bloques que es la parte donde se diseña el programa y también consta un módulo en Web, donde aparte de ser el punto de entrada tenemos acceso a nuestros proyectos y, una


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vez abierto un proyecto, podemos entrar a la sección de diseño de nuestra aplicación. Esta sección es donde podemos añadir los componentes y configurarlos apropiadamente. Si se trata de componentes visuales, entonces definimos también el diseño de la interfaz, en el momento del desarrollo se ejecuta la última versión del App Inventor disponible en su sitio web y los proyectos se guardan en línea (figura 5).

Fig. 5. Desarrollo con App Inventor.

2.5 Módulo HC-06

Este módulo de bluetooth es el dispositivo que utilizamos para la recepción de datos enviados desde una

aplicación desarrollada en �App Inventor�. Se eligió este módulo de bluetooth por el bajo costo comparado con

los módulos RN-41 y RN-42 los cuales tienen las mismas funciones y características, la única diferencia es el rango de cobertura. Siendo así un módulo que cubre las necesidades para el desarrollo del proyecto.

Fig. 6. Módulo HC-06

La configuración del modulo se realiza ajustando los tres aspectos esenciales de nombre, contraseña y velocidad de transmisión mediante comandos AT que se envían mediante una tarjeta Arduino.

2.6 Diseño Hardware El desarrollo de esta aplicación se basa en el prototipo de una casa habitación, con el objetivo de controlar la intensidad de luz en recamaras a través de un regulador o atenuador, control de apertura de accesos por medio de un acoplamiento mecánico con motor, activación de alarma y simulador de presencia mediante un sensor de proximidad. Se propone utilizar una comunicación inalámbrica de tipo Bluetooth, ya que prácticamente dentro del alcance de la señal no presenta perdidas de datos y en general tiene un comportamiento estable y seguro, además no depende de un servidor o servicio de internet, y si se tiene una comunicación Bluetooth clase 1 se puede compensar una de las desventajas de este tipo de comunicación que es el alcance. Éste tipo de comunicación será el medio por el que se transfieran los datos entre el dispositivo móvil y la tarjeta Arduino la


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cual mediante el módulo HC-06 recibirá las señales de control para los respectivos actuadores instalados en la casa.

2.7 Diseño Software Para el desarrollo de esta aplicación se utilizó el software APP Inventor en el cual se fue diseñando cada una de las interfaces que estarían en contacto directo con el usuario, en esta aplicación se diseñan los gráficos, botones, letras, símbolos u otros elementos para el usuario. Los materiales necesarios para el desarrollo de esta aplicación son:

· Computadora PC · Navegador Google Chrome · Dispositivo Android (Tablet, Celular, etc.) · Versión java actualizada.

Con esta herramienta se definen los componentes de la aplicación con sus respectivas propiedades, así como la interfaz que se utilizará para la comunicación desde el dispositivo móvil. Una vez realizado lo anterior, ahora se procede a darle funcionamiento a todos los elementos. El encargado de esto es el editor de bloques, en éste se define el funcionamiento de cada elemento de la aplicación y los datos que se enviarán para el control de la casa habitación, así como la interacción de cada uno de los bloques con sus respectivas características (figura 8).

Fig. 7. Editor de bloques de App inventor.

3. Análisis de resultados En la primera pantalla (figura 8) que se diseñó para el usuario se le pide introducir la clave de control de acceso, al controlarse el acceso a una casa habitación es indispensable la solicitud de una contraseña que si no se introduce correctamente no procede con la aplicación. Si el acceso es correcto la segunda pantalla es un menú creado para que el usuario seleccione que control quiere realizar; accesos, iluminación o alarma.


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Fig. 8. Acceso y menú principal de la aplicación.

De acuerdo a la función seleccionada dentro del menú principal, se presentan una serie de sub menús en los cuales el usuario puede tener un control más definido, por ejemplo en la figura 9 se presentan 5 diferentes intensidades luminosas programadas para 3 lámparas principales dentro de la casa, así como la apertura y cierre de una puerta principal de acceso y un portón de acceso vehicular.

Fig. 9. Menú de iluminación y control de accesos.

En la figura 10 se tiene el control para activar la alarma doméstica con simulador de presencia en 1, 2, 3 y 4 horas.

Fig. 10. Menú de alarmas y prototipo.


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Los resultados se percibieron en un prototipo a escala, donde se tuvo una comunicación eficiente, estable, prácticamente insensible a perturbaciones, en contra detectamos una perdida leve en alcance con objetos intermedios, para esta aplicación es importante mantener estabilidad en conexión ya que permitirán garantizar la seguridad del sistema. El modulo HC-06 proporciona una velocidad de transmisión y recepción de datos constante y estable, sin embargo aunque el fabricante especifica que esta comunicación puede atravesar objetos sólidos sin problema, las pruebas realizadas se percibe una pérdida de alcance de la señal (figura 11).

Fig. 11. Alcance de señal libre y con 8 barreras.

Con un entorno libre de obstáculos se puede tener una comunicación estable a una distancia poco mayor a 15 metros a la redonda del receptor. Se hace notar que hay una pérdida con interferencia de 8 barreras que puede ser un número alto para estas aplicaciones, a pesar de esto se sigue considerando viable uso de Bluetooth por las ventajas presentadas en la sección 2.1. Aun así se puede mejorar mucho el rango de alcance si se trabaja con dispositivos de comunicación Bluetooth de clase 1. Los resultados en la realidad se muestran en las figuras 12 y 13; donde logró controlar el encendido e intensidad de las lámparas, la activación de alarma y el control sobre los accesos de la casa.

Fig. 12. Control de iluminación en casa.


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Fig. 13. Control de accesos y alarma.

APP inventor también posee un emulador que realiza una conexión con un teléfono virtual para simular las función es que se programaron en la aplicación, esta función es importante porque permite realizar una primera prueba de funcionamiento del sistema creado. Una vez descargada en el dispositivo, se instala como cualquier aplicación para Android.

Fig. 14. Simulador de App inventor.

Fig. 15. Simulación de aplicación del proyecto.

Dentro del desarrollo de la aplicación parte de los resultados se pudieron prever en las simulaciones hechas por el emulador de APP inventor y por Isis de Proteus®. El uso de estas herramientas para la programación de los dispositivos es indispensable para identificar posibles fallas o errores de funcionamiento o comunicación. En la figura 16 se muestra la simulación del sistema y el diagrama de conexión.


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Fig. 16. Simulación en Isis de Proteus.

4. Resultados Se obtuvo una aplicación de costo accesible, sobretodo en la parte de control e interfaz con el usuario, se utilizaron distintos elementos que están al alcance del público de manera general, como Comunicación y Software libre, un dispositivo móvil que ya es muy común en la mayor parte de la sociedad y controladores confiables y de fácil manejo a un costo relativamente bajo. Se obtuvo una comunicación estable a un alcance determinado, el comportamiento real del sistema estuvo de acuerdo a las simulaciones previas.

5. Conclusiones Los avances en la tecnología electrónica, de control y comunicaciones, nos van proporcionando cada vez más elementos disponibles y accesibles para desarrollar aplicaciones que puedan beneficiar a más partes de la sociedad y generar conocimiento para estudiantes y docentes. La integración de distintos elementos en hardware y software de la aplicación mostrada se puede extender a más elementos para generar un sistema de más capacidad que proporciona las distintas ventajas que se pretenden con la domótica. En los resultados obtenidos se demostró que para cierta clase de aplicaciones domóticas de bajos recursos se tiene un sistema suficientemente estable y confiable. Se describió una aplicación que puede potencializarse pero representa una alternativa económica. Se puede mejorar significativamente al tener elementos de mayor calidad y prestaciones, como en éste caso el alcance de la señal de comunicación y la seguridad en el sistema de control que son las áreas de oportunidad a mejorar en trabajos futuros en este mismo tema.


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Referencias [1] Huidobro J. M., Millán R. J. �Domótica: edificios inteligentes�, Creaciones COPIRIGHT España, 2004. [2] Junestrand S., Passaret X. Vázquez D. �Domótica y Hogar Digital�, Thomson Paraninfo, España, 2005. [3] Andaluz Ortiz, Víctor, Yépez Rodríguez, Juan. �Diseño y construcción de un control demótico utilizando

bluetooth por medio de un pda�, Tesis, Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador. 2008. [4]. S.L.Jin, W.S. Yu, S.C. Chung, A. �Comparative Study of Wireless Protocols: Bluetooth, UWB, ZigBee and

Wi-Fi, Industrial Electronics Society�. IECON 2007. 33rd Annual Conference of the IEEE. 2007. [5] Huidobro J. M., Millán R. J. �Manual de Domótica�, Creaciones COPIRIGHT España, 2010. [6] Brian W. Evans. �Arduino Programming Handbook: a Beginner�s Reference�, Editorial, USA, 2 edición,

2008.

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