Sistema de trilateración 2d en espacios interiores para vehículo …bibliotecadigital.usb.edu.co/bitstream/10819/4330/1/... · 2017. 11. 11. · Sistema de trilateración 2d en

Sistema de trilateración 2d en espacios interiores para vehículo de guiado autónomo en

movimiento utilizando sensores de ultrasonido y comunicaciones bajo el protocolo MIWI.

Roberto Stiven Ramirez Sierra [email protected]

Luis Felipe Gómez Botero, [email protected]

Trabajo de Grado presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico

Asesor: Gustavo Meneses Benavides, Especialista (Esp) en Msc. Ingeniería

Universidad de San Buenaventura Colombia

Facultad de Ingenierías

Ingeniería Electrónica

Medellín, Colombia

2017

Citar/How to cite [1]

Referencia/Reference

Estilo/Style:

IEEE (2014)

[1] R. S. Ramirez Sierra y L. F. Gómez Botero, “Sistema de trilateración 2d en

espacios interiores para vehículo de guiado autónomo en movimiento utilizando

sensores de ultrasonido y comunicaciones bajo el protocolo MIWI.”, Trabajo de

grado Ingeniería Electrónica, Universidad de San Buenaventura Medellín,

Facultad de Ingenierías, 2017.

Grupo de Investigación en modelamiento y simulación computacional (GIMSC).

Línea de investigación en robótica sistemas de control y de telecomunicaciones (LIRSCT).

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Dedicatoria

Dedicado a nuestras familias que nos han motivado y apoyado en nuestra formación académica,

creyeron en nosotros y en nuestras habilidades.

A nuestros profesores a quienes les debemos parte de nuestros conocimientos, gracias por su

tolerancia y su buena enseñanza.

Agradecimientos

Ante todo, agradecer a nuestras familias por todo su apoyo y paciencia, porque sin ellas nada de

esto habría sido posible.

Gracias también a todos aquellos (amigos, compañeros, profesores...) que nos han apoyado y

ayudado durante todos estos años.

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ..................................................................................................................................... 10

I. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 12

II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA........................................................................... 13

III. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................... 14

IV. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 15

A. Objetivo general .................................................................................................................... 15

B. Objetivos específicos ............................................................................................................. 15

V. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ................................................................................ 16

VI. ANTECEDENTES ............................................................................................................. 17

A. Sistema de Localización Active Badge .............................................................................. 20

B. Sistema de Localización por Nodos ................................................................................... 21

VII. MARCO TEÓRICO ........................................................................................................... 24

A. Trilateración Por Ultrasonido ............................................................................................. 24

1) Velocidad de propagación de la onda .............................................................................. 28

2) Incertidumbre de la detección .......................................................................................... 28

3) Incertidumbre en la medida del tiempo ........................................................................... 29

B. Comunicación Inalámbrica: Protocolo MiWi .................................................................... 31

1) Topología Estrella............................................................................................................ 32

2) Topología Peer to Peer (P2P) .......................................................................................... 33

C. Programación de Nodos con MiWi .................................................................................... 34

D. Interfaz de Programación de Aplicaciones (API) del Protocolo MiWi: MiApp ................ 35

E. Control de servomotores .................................................................................................... 35

F. Microcontroladores PIC ..................................................................................................... 37

G. Vehículo de Guiado Autónomo (AGV) y Sistemas de Recuperación y Almacenamiento

Automatizado (ASRS) ................................................................................................................ 39

H. Diseño en Eagle de la tarjeta electrónica ........................................................................... 40

I. Módulo bluetooth rn-41 ..................................................................................................... 42

VIII. METODOLOGÍA .............................................................................................................. 43

A. Etapas del desarrollo .......................................................................................................... 43

1) Programación ................................................................................................................... 43

2) Comunicación Inalámbrica MiWi ................................................................................... 45

3) Sonar Ultrasónico ............................................................................................................ 46

4) LCD ................................................................................................................................. 47

5) Estructura Nodos ............................................................................................................. 48

6) Estructura Vehículo de Guiado Autónomo ..................................................................... 49

7) Diseño y desarrollo de PCBs ........................................................................................... 50

8) Interfaz Grafica ................................................................................................................ 51

B. Desarrollo de Pruebas. ........................................................................................................ 52

IX. RESULTADOS .................................................................................................................. 57

A) Primera etapa de pruebas: Distancias medidas por el AGV. .............................................. 57

B) Segunda Etapa de pruebas: Trilateración con la información de los nodos. ...................... 59

C) Tercera etapa de pruebas: trilateración con la información de los nodos y el AGV. ......... 61

D) Cuarta etapa de pruebas: Completo funcionamiento. ......................................................... 63

X. DISCUSIÓN ....................................................................................................................... 65

XI. CONCLUSIONES ............................................................................................................. 67

REFERENCIAS…………………………………………………………………………………. 70

ANEXOS………………………………………………………………………………………... 71

LISTA DE TABLAS

Tabla I. Medidas de posiciones del objeto ..................................................................................... 57

Tabla II. Medidas de distancias obtenidas ..................................................................................... 58

Tabla III. Medidas de distancias obtenidas en intervalos definidos ............................................... 58

Tabla IV. Resultados de ángulos medidos ..................................................................................... 59

Tabla V. Precisión de las medidas en los puntos determinados. .................................................... 59

Tabla VI. Precisión de las medidas de los ángulos determinados .................................................. 60

Tabla VII. Medidas obtenidas de la dirección y posición del vehículo autónomo AGV ............... 61

Tabla VIII. Precisión de las medidas en los puntos determinados ................................................. 62

Tabla IX. Precisión de las medidas de los ángulos determinados .................................................. 62

Tabla X. Medidas obtenidas de la dirección y posición del vehículo autónomo AGV ................. 63

Tabla XI. Resultados del funcionamiento completo del sistema trilateracion. .............................. 64

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1.. Active bat system network. ................................................................................................ 19

Fig. 2.. Coordenadas del nodo mediante la medición de distancia de un objeto ............................ 21

Fig. 3.. Sistema automático crucero adaptativo. ............................................................................ 22

Fig. 4.. Red inalámbrica MiWi para explotaciones agrícolas. ....................................................... 23

Fig. 5.. Funcionamiento de un sonar. ............................................................................................. 24

Fig. 6.. Zona muerta ....................................................................................................................... 26

Fig. 7.. Dependencia de la señal según la inclinación. ................................................................... 27

Fig. 8.. Energía emitida por la onda ultrasónica en todas las direcciones. ..................................... 28

Fig. 9.. Principio de Trilateracion. ................................................................................................. 30

Fig. 10.. Organización del protocolo MiWi. .................................................................................. 31

Fig. 11.. Topología de estrella. ....................................................................................................... 33

Fig. 12.. Topología Peer to Peer ..................................................................................................... 33

Fig. 13.. Señal de control del servomotor micro servo Tower Pro sg90 ........................................ 36

Fig. 14.. Servomotor micro Tower Pro servo sg90 ........................................................................ 36

Fig. 15.. Estructura de un microcontrolador ................................................................................... 37

Fig. 16.. Tabla comparativa PIC Microchip ................................................................................... 39

Fig. 17..Prototipo de Diseño AGV ................................................................................................. 40

Fig. 18.. Esquemático de la tarjeta electrónica ............................................................................... 41

Fig. 19.. Placa de circuito electrónico ............................................................................................ 41

Fig. 20.. Programación del microcontrolador ................................................................................ 44

Fig. 21.. Pruebas de la trilateracion del AGV. ............................................................................... 45

Fig. 22.. Módulo MIWI MRF24J40MA. ....................................................................................... 45

Fig. 23.. Montaje del sensor ultrasonido y servomotor. ................................................................. 47

Fig. 24.. Montaje completo del Nodo ............................................................................................. 48

Fig. 25.. Estructura del vehículo AGV ........................................................................................... 49

Fig. 26.. Desarrollo de la PCB. ...................................................................................................... 51

Fig. 27.. Interface gráfica de la ubicación del AGV ...................................................................... 52

Fig. 28.. Pruebas de presión para calcular la distancia del AGV ................................................... 53

Fig. 29.. Pruebas de presión para calcular la distancia del AGV en diferentes puntos del plano. . 54

file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250792file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250793file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250794file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250795file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250796file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250797file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250798file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250799file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250800file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250801file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250802file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250803file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250804file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250805file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250806file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250807file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250808file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250809file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250810file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250811file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250812file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250813file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250814file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250815file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250816file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250817file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250818file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250819file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250820

Fig. 30.. Pruebas de presión para calcular la posición del AGV en 5 puntos diferentes del plano 55

Fig. 31.. Pruebas de funcionamiento con todo el sistema integrado. ............................................. 56

file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250821file:///C:/Users/usuario/Documents/Proyecto%20de%20grado/Proyecto%20de%20grado%20nueva%20plantilla.docx%23_Toc484250822

SISTEMA DE TRILATERACION 2D EN ESPACIOS INTERIORES PARA VEHÍCULO… 10

RESUMEN

En la actualidad el posicionamiento de objetos, vehículos y personas es muy común, en su gran

mayoría este tipo de interacciones están de la mano con sistemas GPS, los cuales otorgan

información detallada de la ubicación en exteriores, sin embargo, este tipo de tecnología no se

presta cómodamente para aplicaciones en espacios interiores, como lo podría ser la ubicación de

vehículos guiados autónomos dentro de un centro de distribución, principalmente debido a la falta

de precisión y de información sobre la disposición de los espacios interiores.

A partir de un método geométrico para el cálculo de coordenadas de puntos desconocidos, se

pretende desarrollar un sistema capaz de detectar la posición de un objeto en movimiento dentro

de un espacio interior con la ayuda de dispositivos electrónicos como microcontroladores,

servomotores, sensores de ultrasonido y elementos de comunicaciones electrónica; al igual que

software para visualización, procesamiento y lectura de la información. Adicional se busca

desarrollar un vehículo guiado autónomo capaz de integrarse con el sistema desarrollado a partir

de comunicaciones inalámbricas, el cual podrá corroborar su posición de acuerdo a la información

captada por sus sensores y a la información recibida del sistema de posicionamiento.

Las pruebas se realizarán en uno de los laboratorios de electrónica de la Universidad de San

Buenaventura seccional Medellín, tratando de recrear un ambiente con condiciones controladas

para realizar los experimentos necesarios y verificar la trilateracion en espacios interiores.

Palabras clave: Sistemas GPS, Comunicaciones inalámbricas, Ultrasonido, trilateracion, Calculo

de cordenadas, Vehiculo guiado.


ABSTRACT

At present the positioning of objects, vehicles and people is very common, in the vast majority of

these interactions are hand in hand with GPS systems, which provide detailed information of the

outdoor location, however, this type of technology does not Lends itself comfortably to

applications in interior spaces, such as the location of autonomous guided vehicles inside a

distribution center, mainly due to the lack of precision and information about the layout of the

interior spaces.

From a geometric method for the calculation of coordinates of unknown points, it is intended to

develop system to able of detecting the position of a moving object within an interior space with

the help of electronic devices such as microcontrollers, servo motors, ultrasonic sensors and

Electronic communication elements; As well as software for viewing, processing and reading

information. Additional aim is to develop an autonomous guided vehicle to able of integrating with

the system developed from wireless communications, which can corroborate its position according

to the information captured by its sensors and the information received from the positioning system.

The tests will be carried out in one of the electronic laboratories of the University of San

Buenaventura sectional Medellín, trying to recreate an environment with controlled conditions to

perform the necessary experiments and verify the trilateration in interior spaces.

Keywords: GPS System, Wireless Communications, Ultrasound, trilateration, Calculation of

coordinates, Guided vehicle.


I. INTRODUCCIÓN

Los avances de la tecnología han fomentado el desarrollo de las comunicaciones inalámbricas

(WiFi, Bluetooth, MiWi, GSM, etc.). El uso de dispositivos capaces de transmitir la información

por medio de protocolos inalámbricos ha impulsado la demanda de aplicaciones ideales para el

contexto.

Por tal motivo, para muchos escenarios como son la posición, coordinación de objetos y equipos

de campo, la información de localización se ha convertido en información esencial e indispensable

y en la actualidad es muy común el uso de GPS, (Global Positioning System) como principal

alternativa para la localización de vehículos, personas y objetos.

En la mayoría de los casos estos sistemas son poco viables para desarrollos a gran escala o en

sistemas móviles en espacios reducidos, teniendo en cuenta que existen otras limitantes las cuales

están íntimamente relacionadas a las características de exactitud, precisión, disponibilidad, costo,

cobertura, y una última y más importante característica que tiene que ver con el hecho de que este

tipo de tecnología no se presta cómodamente para aplicaciones en espacios interiores.

Este trabajo pretende desarrollar un sistema capaz de detectar la posición de un objeto en

movimiento dentro de un espacio interior con la ayuda de dispositivos electrónicos como

microcontroladores, servomotores, sensores de ultrasonido y elementos de comunicaciones

electrónica; al igual que software para visualización, procesamiento y lectura de la información.

Adicional se busca desarrollar un vehículo guiado autónomo capaz de integrarse con el sistema

desarrollado a partir de comunicaciones inalámbricas, el cual podrá corroborar su posición de

acuerdo a la información captada por sus sensores y a la información recibida del sistema de

posicionamiento.


II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La referenciación de un cuerpo u objeto en un espacio interior utilizando unas coordenadas de

ubicación no es una tarea fácil, mucho menos si este cuerpo se encuentra en movimiento. En

algunas aplicaciones como en los sistemas de logística o en los sistemas de recuperación y

almacenamiento automático (ASRS) la ubicación de los vehículos guiados autónomos, es de gran

utilidad para efectos de trazabilidad de la mercancía o de los objetos manipulados por cada uno de

los vehículos. Actualmente existe la posibilidad de integrar sistemas de sensores y de

comunicaciones electrónicas para tratar de resolver el problema de la trilateración en ambientes

interiores. Si se desarrolla una solución en este sentido es posible escalarla a diferentes ámbitos

para complementar sistemas existentes de gran importancia en la industria, como los ya

mencionados ASRS.

¿Cómo implementar el sistema de trilateración 2D para la realización de pruebas con un vehículo

guiado autónomo en movimiento?

A partir del trabajo de grado realizado sobre un sistema de trilateración presentado el semestre

2015-2, se puede dar un nuevo alcance a dicha investigación, con el cual se pretende poder verificar

el funcionamiento del sistema en condiciones dinámicas con el uso de un vehículo guiado

autónomo, apoyados en la implementación de sensores, microcontroladores, protocolos de

comunicación inalámbrica e instrumentos virtuales.


III. JUSTIFICACIÓN

Los sistemas de localización son aquellos que tratan de obtener la posición de una persona u objeto

en un instante de tiempo. Estos sistemas están ganando importancia debido a la gran cantidad de

aplicaciones y soluciones que ofrecen. El avance constante de la tecnología ha llevado a desarrollar

equipos y dispositivos los cuales nos permiten obtener información acerca de la ubicación de un

sujeto u objeto con gran precisión y exactitud.

No obstante, los sistemas de posicionamiento desarrollados hasta hoy presentan ventajas que los

han hecho ideales para determinado tipo de aplicaciones como es el caso de la localización de

objetos en espacios exteriores, teniendo en cuenta que dicha tecnología conlleva altos costos de

infraestructura y es poco precisa al momento de ser implementada en espacios interiores. En este

sentido, el diseño de un sistema capaz de determinar la posición de un objeto con gran precisión y

exactitud en espacios interiores y además de esto a un bajo costo, plantea retos tecnológicos y

ofrece una excelente solución a necesidades públicas en estaciones, hospitales, universidades,

hoteles, cafeterías etc. Para estas y muchas otras actividades que se realizan en espacios interiores

es vital conocer la posición en la que se encuentran los objetos.


IV. OBJETIVOS

A. Objetivo general

Implementar un sistema de prueba para verificar la trilateración en dos dimensiones (2D) en

espacios interiores, para un prototipo de vehículo de guiado autónomo utilizando medición de

distancia con sensores de ultrasonido y comunicaciones inalámbricas bajo el protocolo MiWi de

Microchip.

B. Objetivos específicos

Desarrollar un sistema para la trilateración de un objeto en movimiento en un espacio

interior bajo condiciones controladas con sincronización de las mediciones de los sensores.

Rediseñar la interfaz gráfica de usuario para calcular las coordenadas del proceso de

trilateración y visualizar los resultados de las pruebas en condiciones dinámicas.

Diseñar el objeto móvil utilizado en cuanto a la adaptación del sensor, los circuitos de

comunicaciones y su forma física para favorecer el funcionamiento del sistema de

trilateración 2D.

Verificar el funcionamiento del sistema desarrollado mediante la realización de pruebas

experimentales en el espacio interior elegido para tal fin.


V. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

Actualmente debido al desarrollo de protocolos y dispositivos de comunicación existe la

posibilidad de integrar sistemas de sensores y dichas comunicaciones electrónicas para tratar de

resolver el problema de la trilateración en ambientes interiores.

Como desarrollar un sistema de trilateración 2D para la realización de pruebas con un vehículo

guiado autónomo en movimiento con el cual se pretende poder verificar el funcionamiento del

sistema de trilateracion en espacios interiores y en condiciones dinámicas con el uso de un vehículo

guiado autónomo, apoyados en la implementación de sensores, microcontroladores, protocolos de

comunicación inalámbrica e instrumentos virtuales.


VI. ANTECEDENTES

Hoy en día las grandes fábricas cuentan con complejos sistemas de automatización, desde sistemas

ensambladores hasta sistemas inteligentes de climatización, todos estos sistemas se encuentran

dispuestos según las necesidades de cada una de las industrias y aplicación según contexto.

Según la industria y la aplicación podemos encontrar sistemas de recuperación y almacenamiento

automatizado (ASRS) que cada día toman más fuerza en diferentes campos como son en las

grandes fábricas de automotores y empresas especializadas en el área de logística para

almacenamiento y recuperación, que debido al entorno económico en el que se desenvuelven en la

actualidad las obliga a ser más dinámicas y cambiantes llevándolas a ser eficientes en lo que se

refiere al consumo de tiempo y costos exagerados que se presentan.

Según investigaciones hechas por el Departamento de Mecatrónica de la Universidad Internacional

Islámica de Malasya (Articulo de investigación publicado por la IEEE) que lo integraban M. M.

Rashid, Banna Kasemi, Mahmudur Rahman contribuyeron a un nuevo prototipo que tiene que ver

con los sistemas ASRS en una nueva versión, los cuales tuvieron resultados muy exitosos. [1] Este

sistema implementado de recuperación y almacenamiento automatizado, posee conocimientos

tanto mecánicos, eléctricos, electrónicos e ingeniería computarizada para un sistema de

almacenamiento en depósito y recuperación, el cual fue acoplado a comunicaciones inalámbricas

de tecnología XBee, módulos de RF, microcontroladores, motores de corriente continua (DC) y

utilizando circuitos integrados para el control de giro de motores, identificación por radiofrecuencia

(RFID), baterías de voltaje, entre otros que fueron de utilidad a la investigación logrando obtener

el prototipo de robot móvil para los sistemas de recuperación y almacenamiento [1].

El diseño del prototipo para el sistema de ASRS tiene como resultado la capacidad de elevar objetos

y transferirlos a ubicaciones preestablecidas, utilizando comunicación inalámbrica los prototipos

se encargan de registrar la ubicación para posteriormente recuperar dicho objeto; Una vez que el

usuario ordena al robot que se encargue de recuperar los objetos respectivos, el robot debe

recuperar correctamente los objetos y nuevamente colocarse disponible para el usuario.


Su funcionamiento tiene como característica principal capturar la posición inicial, La ubicación del

robot se planifica y se define según el desplazamiento a realizar. La Posición inicial actúa como un

punto de inicio del robot en movimiento. Una vez que el robot se mueve para realizar la tarea dada

por el usuario, al finalizar dicha tarea, este debe ser capaz de volver a su posición inicial y ubicarse

en la zona de entrada o salida preestablecida anteriormente [1].

En la tesis de grado desarrollada en la facultad de informática de la

Universidad de Marasik enfocada al Sistema de localización para dispositivos móviles autónomos,

su autor Peter Langer describe las técnicas de localización en espacios interiores, así como las

técnicas basadas en exteriores ya conocidas hoy en día como GPS (sistema de posicionamiento

global), GNSS (sistemas satelitales de navegación global), etc. En este describe un ejemplo

interesante de sistemas de localización en espacios interiores, como lo es active bat (murciélago

activo), basado en un sistema de localización para mediciones del tiempo de vuelo de pulsos de

ultrasonido, caracterizado por un dispositivo pequeño portable llamado bats y beacons (balizas)

montados en un techo, La posición de un bats se consulta bajo una red tipo broadcast donde se

envía la información a una multitud de receptores de manera simultánea, sin necesidad de

reproducir la misma transmisión punto por punto; todo esto para notificar al sistema de su presencia

( esto se conoce como registro) . Cuando un bats recibe una consulta, responde mediante la emisión

de un impulso de ultrasonido que es detectada por los receptores montados en el techo. Si el pulso

enviado es detectado por tres o más receptores montados en el techo, la posición se calcula por un

método llamado multilateración, que calcula de manera única la posición del objeto [2].

El principal problema con este enfoque es que la tasa promedio a la que cada bat se puede consultar

es inversamente proporcional al número de los bats siendo rastreado por el sistema. Si 10 bats están

siendo rastreados entonces la frecuencia media a la que se consulta cada bat es de 5 Hz. Si 50 bats

están siendo rastreados entonces este cae a 1 Hz [2].

Por lo tanto, el sistema active bat como se ha descrito anteriormente no se adapta bien para soportar

un gran número de nodos. Una solución para el problema de este tipo, consiste en implementar un

sistema fijo encargado de calcular sus propias posiciones basadas en las transmisiones recibidas de

balizas estáticas instaladas en un punto determinado. Tales sistemas permiten un número

https://es.wikipedia.org/wiki/Comunicaci%C3%B3n


arbitrariamente grande de nodos para posicionarse al mismo tiempo sobre la base de las mismas

transmisiones [2].

En un sistema de localización, su función es determinar la ubicación actual de un objeto dentro de

un sistema dado de coordenadas. En desarrollos de tecnologías como el GPS (sistema de

posicionamiento global), GNSS (sistemas satelitales de navegación global), Hay diferentes

enfoques básicos para la determinación de la ubicación de un objeto.

Uno de los primeros enfoques en analizar y de suma importancia es la localización por medio de

puntos de referencia, En este enfoque el sistema de localización se encarga de la selección

particular de un conjunto de puntos de referencia de coordenadas conocidas. Los puntos de

referencia preestablecidos pueden ser fijos o en movimiento dentro del sistema de coordenadas

seleccionado, Si el conjunto de puntos se desplaza, estos deben seguir una trayectoria predefinida

para que sus coordenadas se pueden determinar exactamente [3].

Fig. 1.. Active bat system network.

Tomado de: https://goo.gl/zmZYI5.


Si se conocen las coordenadas de mínimo tres puntos de referencia al momento de realizar cada

medición, se puede calcular las coordenadas del punto resolviendo un sistema de ecuaciones. Para

estos tipos de sistemas descritos anteriormente se deben de tener límites como puntos de referencia.

Estos límites se utilizan para delimitar espacios físicos garantizando que las mediciones se

realizaran según la delimitación del espacio predeterminado [3].

Otro de los enfoques a describir es el enfoque que determina la posición del objeto con respecto a

algún punto de partida utilizando la dinámica del movimiento de dicho objeto. Por ejemplo, si un

objeto se pone en movimiento desde un punto a lo largo de una dirección y a una velocidad

constante, sus coordenadas con respecto al tiempo se dan basados en la capacidad del objeto en

movimiento para medir con precisión su dinámica. El objeto genera una estimación de la posición

y se requiere de una dinámica de medidas tales como la velocidad y la aceleración que se integrarán

para dar una exactitud en la medida. Este enfoque sufre de un inconveniente y es debido a la

estimación en las medidas que genera una acumulación de errores y por este motivo para desarrollar

una mayor precisión, la mayoría de los sistemas de localización se implementan utilizando puntos

de referencia, o el uso de una combinación de puntos de referencia y la estimación de estos [3].

A. Sistema de Localización Active Badge

El sistema active badge fue uno de los primeros sistemas de localización en espacios cerrados. Este

sistema funciona realizando seguimiento de la ubicación de objetos y usuarios en una base de

ubicaciones ya definida. Los objetos son rastreados por medio de una placa fija y esta se encarga

de transmitir su identificador único cada 15 segundos utilizando un transmisor infrarrojo. Los

receptores de infrarrojos fijos que pueden ir sujetos a dichos objetos o usuarios recogen la

información y luego la transmiten a través de una red cableada a la base de datos central [3].

La desventaja de este sistema es que solo se puede conocer la posición del objeto cada 15 segundos,

pero este tiempo es suficiente para monitorear el movimiento del objeto o usuario en un espacio

interior.


B. Sistema de Localización por Nodos

En este sistema la información de posición necesita puntos o nodos de referencia con coordenadas

preconfiguradas. Las coordenadas de estos nodos de referencia pueden ser coordenadas definidas

en un límite espacial local, o pueden ser coordenadas globales como en un GPS. Si estas

coordenadas son locales, la información de posición dentro del sistema de ubicación también es

local, usando nodos de referencia con receptores GPS, Un sistema de coordenadas local 3D o 2D

puede ser traducido a un sistema de coordenadas globales [3].

Los métodos de posicionamiento por medio de señales ultrasónicas son métodos de medición que

utilizan ondas sonoras para determinar la posición del objeto que se está midiendo. El dispositivo

mide la cantidad de tiempo que tarda la onda de sonido reflejada para volver al receptor. La medida

de éxito depende de la reflexión del material, el desplazamiento en línea recta hacia el receptor de

la señal. Sin embargo, hay diversas condiciones que afectan la señal de retorno. Factores tales como

el polvo, vapores pesados, obstrucciones, la rugosidad y los ángulos de las superficies, pueden

Fig. 2.. Coordenadas del nodo mediante la medición de distancia de un objeto

Tomado de: (N. B. Priyantha, «The Cricket Indoor Location System, » S.M. Computer Science, Massachusetts

Institute of Technology, 2005).


afectar a la señal de retorno. Es por ello que al momento de trabajar con este tipo de señales se

tengan en cuenta dichas condiciones [4].

Actualmente, las técnicas de detección de láser, radar, infrarrojos y rayos de ultrasonidos se han

aplicado ampliamente en la industria. Uno de los mejores ejemplos son el de los vehículos

equipados con sistemas de seguridad activos para reducir el riesgo de accidentes, la mayoría de

estos se aplican en los entornos urbanos.

Todos estos sistemas utilizan diferentes tipos de sensores para monitorear constantemente las

condiciones del vehículo y actuar en caso de emergencia, una aplicación ideal para evaluar la

efectividad de estos sistemas fue crucero adaptativo (ACC) que permite fijar una velocidad de

conducción y mantenerla de forma automática sin tener que usar el acelerador. Este sistema se

llevó a cabo mediante el uso de sensores ultrasónicos, el prototipo automatizado se probó en

condiciones reales en los sistemas de seguridad activos para el tráfico urbano. Los resultados

arrojados confirman el buen desempeño de los sensores ultrasónicos en estos sistemas [4].

Fig. 3.. Sistema automático crucero adaptativo.

Tomado de: https://goo.gl/H5JZP5


Estos avances e investigaciones realizadas en cuanto a sistemas autónomos y de localización, van

ligados a sistemas de comunicación inalámbrica actuales, los cuales difieren los unos de los otros

desde el protocolo de comunicación hasta los medios de recepción y transmisión, por tal motivo

hoy nos encontramos con infinidad de posibilidades en cuanto a comunicaciones inalámbricas, sin

embargo la prestación para la cual se pretenden y su necesidad es la que nos indica cual todas las

posibilidades en comunicación es la mejor, como lo expone Miguel Mariano Martínez en su trabajo

de fin de carrera para la Universidad de la Rioja, donde elige el protocolo MiWi como protocolo

de comunicación para un sistema de control y monitoreo de varias plataformas en una explotación

agrícola, por encima de otros protocolos más utilizados en la instrumentación electrónica,

principalmente por su sencillez para crear una red [5].

Fig. 4.. Red inalámbrica MiWi para explotaciones agrícolas.

Tomado de: M. M. Martínez, «Desarrollo de red inalámbrica MiWi para explotaciones agrícolas,» 2013.


VII. MARCO TEÓRICO

A. Trilateración Por Ultrasonido

Se conocen como ultrasonidos, a las ondas acústicas superiores a la máxima frecuencia

auditiva perceptible por el ser humano. Nominalmente esto incluye frecuencias sobre 20

kHz, pero habitualmente se trabaja entre los rangos de 1 y 20 Mhz.

Las principales aplicaciones de los ultrasonidos frente a las ondas de radio convencionales

en el ámbito de la localización vienen del hecho que la velocidad de los ultrasonidos es

aproximadamente la velocidad del sonido = 343m/s, mientras que las ondas de radio viajan

a la velocidad de la luz c = 108 m/s. Esto permite mandar un mensaje radio y un pulso de

ultrasonidos en el mismo instante desde un emisor y ver la diferencia entre el tiempo de

llegada del paquete radio y del pulso de ultrasonidos en el receptor, con lo que se puede

extraer la información sobre la distancia relativa. Esto se conoce como Time Difference

of Arrival (TDoA) [6, p. 11].

Para calcular distancia también se puede utilizar simplemente el tiempo de llegada

(Time of Arrival, ToA) del pulso de ultrasonidos, en caso de que el emisor y el

receptor sepan a la vez cuando se ha emitido el pulso de ultrasonidos. Para calcular

Fig. 5.. Funcionamiento de un sonar.

Tomado de: https://goo.gl/KgKrfO


la distancia es muy sencillo, sólo se ha de tener en cuenta que la señal rebota en el

blanco y vuelve, con lo que recorre dos veces esta separación [6].

𝑑 = 𝑉𝑆 ∗ 𝑡

2

Donde 𝑉𝑆 es la velocidad del sonido y 𝑡 es el tiempo que tarda la onda en llegar hasta

el blanco, rebotar y volver de nuevo al emisor.

Para la mayoría de aplicaciones de localización con ultrasonidos el emisor y el

receptor están separados, y deberán tener línea de visión directa entre ellos (Line of

Sight, LOS). Esto implica que ambos deben estar encarados, de manera que la señal

llega de uno a otro directamente, sin rebotes. No obstante, es posible utilizarlo en

situaciones sin línea de visión directa (Non-Line of Sight, NLOS), aunque se ha de

lidiar con alcances menores debido a la disipación de energía de las ondas acústicas

al rebotar en la mayoría de superficies [6, p. 12].

Al usar ultrasonidos se ha de tener en cuenta algunos conceptos básicos como son

la zona muerta, en la cual no se puede detectar exactamente el objeto u obstáculo

presente, Esta es la distancia entre la membrana que sensa y el mínimo rango de

sensibilidad del sensor. Si el objeto está demasiado cercano, la señal ultrasónica

puede chocar contra el objeto u obstáculo antes de que dicha señal haya dejado el

transductor, por lo tanto, la información del eco que se devuelve al sensor es

ignorada por el transductor, ya que este está todavía transmitiendo y no recibiendo.

Si el objeto está demasiado cerca puede ocurrir otro problema, que el eco generado

se refleje sobre la membrana sensora y viaje de nuevo hacia el objeto. Estos ecos

múltiples pueden dar lugar a errores cuando el objeto está dentro de la zona muerta

[7, p. 18].


El rango máximo es el parámetro en el que este tipo de sensor puede detectar cada

objeto y cada aplicación se determina mediante experimentación. Otro concepto

básico es el ángulo del cono de emisión que está formado por los puntos del espacio

en los que la señal del sensor es atenuada por lo menos 3dB. Fuera de este cono la

señal de ultrasonidos existe, pero es bastante débil. Este cono debe determinarse

experimentalmente y dentro de él pueden detectarse los objetos [7, p. 19].

El sensor de ultrasonidos emite un haz de sonido en forma de cono que elimina los

lóbulos laterales. Es importante el tamaño del objeto respecto del tamaño de la zona

que abarca el haz. Teóricamente, el objeto más pequeño detectable es aquel que

mide la mitad de la longitud de onda de la señal del sensor de ultrasonidos. Para

215KHz, la longitud de onda de la señal es de 0.063”, por lo que, bajo condiciones

ideales, estos sensores son capaces de detectar objetos con un tamaño mínimo de

0.032”. Normalmente los objetos son grandes, por lo que son detectados a varias

distancias con cálculos de medición entre los 2cm-4,5m lo cual posee una precisión

bastante alta y de bajo costo [7, p. 20].

Si un objeto liso es inclinado a más o menos 3 grados de inclinación con respecta a la normal del

eje de emisión de la señal de ultrasonidos, una parte de la señal es desviada del sensor y la distancia

Fig. 6.. Zona muerta

Tomado de: E. G. Sanz, «Implementacion de sensores de ultrasonidos en un sistema autonomo de tiempo real,»

2003.


de detección disminuye. Sin embargo, para objetos pequeños situados cerca del sensor, la

desviación respecto a la normal puede aumentar hasta más o menos 8 grados. Si el objeto está

inclinado más o menos 12 grados con respecto a la normal del eje, toda la señal es desviada fuera

del sensor y este no es capaz de captar la señal ocasionando que no responda.

La señal que choca contra un objeto de superficie rugosa se difunde y refleja en todas las

direcciones y parte de la energía vuelve al sensor como un eco débil lo que genera datos imprecisos

y variaciones amplias de medida [7, p. 22].

Los sensores de ultrasonidos producen lecturas bastante aproximadas a la realidad con rangos de

tolerancias de cm, pero la capacidad de repetir la señal exacta es casi nula, en la figura 4 se observan

los mapas que se reconstruyen en tiempo real de un mismo entorno de navegación de diferentes

experimentos. Los sensores de distancia por emisión de ultrasonidos permiten modelar entornos

dinámicos en la forma en la que emiten y recogen las ondas de sonido [7].

Fig. 7.. Dependencia de la señal según la inclinación.

Tomado de: E. G. Sanz, «Implementación de sensores de ultrasonidos en un sistema autónomo de tiempo real,»

2003.


A continuación, se describe cada uno de las posibles fuentes de errores de medida las cuales se

encuentran fundamentadas en la imprecisión de la medida del tiempo y las variaciones de la en la

velocidad de la onda.

1) Velocidad de propagación de la onda

La velocidad del sonido se ve muy afectada por la temperatura y por la humedad generando

posibles errores de medida [7].

2) Incertidumbre de la detección

Las variaciones de mediada son ocasionadas por la reflexión de las ondas en distintos tipos de

objetos. Algunos reflejan con una intensidad mayor que otros los cuales dependen de la rugosidad

de la superficie y la inclinación. Esto hace que los sistemas de detección respondan de forma más

rápida ante los primeros haciendo que esos objetos parezcan más próximos. Por este motivo, es

Fig. 8.. Energía emitida por la onda ultrasónica en todas las direcciones.

Tomado de: E. G. Sanz, «Implementacion de sensores de ultrasonidos en un sistema autonomo de tiempo real,»

2003.


muy importante la selección del valor umbral, a partir del cual se inicia la detección de la onda [7,

p. 25].

3) Incertidumbre en la medida del tiempo

Si comparamos la velocidad del sonido con la de la luz, encontramos que es muy lenta y se ve

afectada por muchos factores. Esto impulsa el desarrollo de circuitos electrónicos con unos

requisitos de velocidad muy altos, capaces de responder en tiempos inferiores al nanosegundo. Para

lograr obtener precisiones de tan solo 1cm, se necesita un circuito con temporizaciones de 3

nanosegundos. Lograr esta precisión resulta muy costoso generando que se aparten estos sistemas

de medida en las aplicaciones normales [7].

Los sistemas de posicionamiento por medio de ultrasonidos, son capaces de estimar la posición de

los objetos con una precisión del orden de centímetros, La estimación de coordenadas de un punto

a partir de las distancias que existen entre ese punto y otros tres puntos de referencia con

coordenadas conocidas, se denomina como trilateración de coordenadas. Esta se basa en la

geometría y en la resolución de sistemas de ecuaciones para estimar cada una de las distancias de

cada punto de referencia al punto y así poder determinar las coordenadas de este último. Cuando

se hace uso de un sistema de ecuaciones de 3 variables ‘x’, ‘y’ y ‘z’ se habla de un sistema de

trilateración 3D o para un sistema de trilateración de 2 variables ‘x’ y ‘y’ se habla de un sistema de

trilateración 2D. Los sensores ultrasónicos permiten medir la distancia de un objeto por medio de

señales ultrasónicas, estos son ampliamente utilizados en la instrumentación electrónica debido a

su bajo costo y a su precisión, por lo tanto, es posible automatizar la trilateración de un objeto si se

tiene un arreglo de sensores de ultrasonido correctamente ubicados. El método de trilateración por

ultrasonido se caracteriza por determinar la ubicación coordenada de un punto específico a partir

de los ecos y los tiempos de vuelo de señales ultrasónicas emitidas periódicamente. De manera

complementaria existen métodos que utilizan la intensidad de señal recibida (RSSI) para realizar

la medición de distancia y la trilateración, desafortunadamente estos métodos son bastante

imprecisos puesto que influyen mucho el medio y los obstáculos. En la práctica algunos métodos

que han dado buenos resultados utilizan las comunicaciones inalámbricas junto con el ultrasonido

para hacer una estimación más precisa de las coordenadas del punto desconocido [8].


Los sistemas de localización son basados en esta distancia, dada por el tiempo de vuelo que recorre

el ultrasonido en un espacio, transmitido al medio en este caso un espacio interior, La trilateración

como sistema de localización consta de dispositivos electrónicos que emiten señales a un ambiente

o a un medio tal como son las de señales de radio, ultrasonido, laser, etc., así como otros elementos

electrónicos que se encargan de la propagación de la señal, después de haberse propagado en el

ambiente o interior [8].

Los sistemas de trilateración con ultrasonido se caracterizan por utilizar frecuencias alrededor o

por encima de los 40KHz, las cuales se encuentran muy por encima del umbral de frecuencia

percibidas por el oído del ser humano el cual está entre 20 Hz a 20kHz según cada persona, ya que

siente sensibilidades diferentes. La medición de distancia se crea a partir de sensores de ultrasonido,

para el sistema de localización con principio de trilateración, existen sensores de ultrasonido con

capacidad en la detección de objetos.

Fig. 9.. Principio de Trilateracion.

Tomado de: https://goo.gl/cMNjfS


B. Comunicación Inalámbrica: Protocolo MiWi

Este protocolo de comunicaciones inalámbricas se basa en el estándar IEEE 802.15.4 para redes

inalámbricas de área personal. MiWi permite modificar y ajustar parámetros de red, el

procedimiento para hacer esto se basa en los documentos de Microchip Technology, entre otros;

MiWi wireless protocol (2010), MiWi P2P wireless protocol (2010), MiWi wireless application

programing interface-Miapp (2009), MiWi wireless media access controller-MiMac (2009) los

cuales pueden ser consultados en la página web de microchip para configuraciones de

comunicaciones inalámbricas de área personal [9].

MiMAC es utilizada para la manipulación de los transceptores RF para tener una flexibilidad a la

hora de utilizar cualquiera de estos, basado en la capa de protocolo con propiedad de microchip,

mientras que Miapp es flexible y se puede utilizar bajo los protocolos inalámbricos de microchip,

modificando o no la capa de la aplicación [9].

Fig. 10.. Organización del protocolo MiWi.

Tomado de: M. M. Martínez, «Desarrollo de red inalámbrica MiWi para explotaciones agrícolas,» 2013.


El protocolo MiWi (MiWi Wireless Networking Protocol Stack) es un protocolo inalámbrico

sencillo, creado para el envío de bajas transmisión de datos, costos bajos y distancias pequeñas, se

caracteriza por ser un protocolo para redes pequeñas, las cuales pueden poseer 1024 nodos como

máximo, cada coordinador de red puede tener hasta 127 nodos, y en total serian 8 coordinadores

de la red de área personal [9].

MiWi P2P es una versión más simplificada del protocolo MiWi que permite establecer redes más

pequeñas sin enrutamiento y con comunicaciones de un solo salto. MiWi P2P no posee la capacidad

de enrutamiento, por lo tanto, la comunicación inalámbrica depende directamente del rango de

alcance del radio. Soporta dos topologías: P2P (Peer to Peer) y estrella [9].

Este protocolo se puede implementar con microcontradores de las familias PIC18, PIC24, PIC33

y PIC32 de Microchip, soportados por los compiladores C18, C30 y C32. La programación de los

nodos de red no requiere un sistema operativo en tiempo real (RTOS) permitiendo así

programación secuencial tradicional [9].

1) Topología Estrella

Esta comunicación inalámbrica se forma a partir de un nodo central el cual va ser definido como

coordinador de red de área personal PAN (Personal Area Network), este se encarga de establecer

la comunicación y la conectividad de otros dispositivos terminales permitiendo que otros

dispositivos pueden unirse a una red totalmente independiente del resto de redes en estrella. Esta

red crea una mayor facilidad de supervisión y control de información ya que para pasar a transmitir

los mensajes, primero deben pasar por un nodo central o coordinador, el cual gestiona la

redistribución de la información a los demás nodos. Las características de funcionamiento del

coordinador de la PAN es FFD (full-function device), donde puede ser FFD para indicar que están

con radio habilitado o RFD (reduced-function device) que indica radio inhabilitado, pero se tiene

en cuenta que el coordinador se comunica con todos, no importa su funcionalidad, no obstante, los

dispositivos terminales únicamente se comunican con el coordinador de la PAN, sin importar el

estado de sus radios [10].


2) Topología Peer to Peer (P2P)

Esta topología cuenta también con un coordinador de red de área personal PAN, (Personal Area

Network) que da inicio a las comunicaciones a través de los dispositivos terminales (end devices),

Al momento de establecer la comunicación con la red, estos dispositivos no necesariamente se

tienen que comunicar con el coordinador PAN, solo basta con tener radio habilitado cada

dispositivo terminal para poder tener conectividad entre ellos, a diferencia de la topología estrella

que la comunicación solo se da por medio del coordinador de Red [10].

Fig. 11.. Topología de estrella.

Tomado de: G. Meneses, «Tutorial Protocolo MiWi,» Medellín, 2013.

Fig. 12.. Topología Peer to Peer

Tomado de: G. Meneses, «Tutorial Protocolo MiWi,» Medellín, 2013.


El direccionamiento de la red se asigna teniendo el coordinador de la red en estado fijo, con la

siguiente dirección 11-22-33-44-55-66-77-01 donde este hace referencia al nodo 1, que puede ir

siendo modificado por la última cifra de la dirección dada, de acuerdo a los dispositivos finales o

nodos que se tengan en la PAN. Por defecto la identificación de la red (PAN ID) es 1234.

MiWi P2P solo logra soportar la comunicación de un único salto, para la transmisión de mensajes

con direccionamiento EUI o larga, mientas que para el direccionamiento corto, es utilizado cuando

el stack que permite la transmisión de un mensaje de difusión amplia o multicanal (broadcast) y la

longitud de direccionamiento solo permite la comunicación de único salto en el rango de 2 y 8

bytes para la utilización de los transceptores del fabricante microchip [10].

Los campos de direccionamiento del protocolo MiWi P2P tienen campos de direccionamiento y

stack por ser subconjuntos de los mensajes bajo los estándares de la IEEE norma 802.15.4 y sus

campos son: control de trama, numero de secuencia, Identificación PAN de destino, dirección de

destino, identificación PAN de origen, dirección de origen, payload (cuerpo del mensaje),

secuencia de chequeo de la trama, estos son los formatos de paquetes para el protocolo MiWi P2P

[10].

C. Programación de Nodos con MiWi

Microchip solutions pone a disposición un conjunto de herramientas como lo son documentos para

los usuarios basados en las funciones especiales y ejemplos de desarrollos, para soluciones a

procesos o sistemas embebidos como son: funcionalidades gráficas especiales, aplicaciones

desarrolladas utilizando el protocolo propietario MiWi, soporte para el stack y las aplicaciones

TCP-IP, soporte de funciones con USB y aplicaciones para registro SD. El diseño de los nodos

sensores se basa en un documento creado en las librerías de microchip, estas librerías se llaman

application libraries que al ser utilizada posee recursos para implementar aplicaciones más

avanzadas aprovechando las funciones que poseen los microcontroladores 18,16 y 32 bits [10].


D. Interfaz de Programación de Aplicaciones (API) del Protocolo MiWi: MiApp

La especificación de MiApp se caracteriza por definir las interfaces de programación entre la capa

de aplicaciones y el protocolo de comunicación inalámbrico propietario de la fabricación de

Microchip. La forma para la implementación de MiApp son 2 tipos; parámetros definidos para la

configuración del archivo y funciones de los protocolos inalámbricos fabricados y con propiedad

de microchip. Si se cumplen las especificaciones dadas por MiApp, los protocolos pueden ser

utilizados bajo los estándares de Microchip para la modificación o no en la capa de aplicación,

donde este software puede ser cambiado bajo otra topología sea estrella o P2P [10].

E. Control de servomotores

Los servomotores son motores de corriente continua que incorporan un circuito

electrónico que permite controlar de forma sencilla la dirección y la velocidad de

giro de sus ejes mediante impulsos eléctricos. La señal de control de los

servomotores de rotación continua es una señal de pulsos modulada en anchura

PWM (Pulse Width Modulation). Este tipo de señal de control se utiliza en los

servos estándar para realizar los giros desde 0º a 180º [11, p. 18].

Para el control de un servo se debe indicar en qué posición se debe situar. Esto se

lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del pulso nos indica el

ángulo de giro del motor. Cada servo según fabricante tiene sus tolerancias de

operación. Los valores más generales corresponden con pulsos entre 1 ms y 2 ms de

ancho, que dejarían al motor en ambos extremos (0º y 180º). El valor 1.5 ms de

ancho de pulso indica la posición central o neutra (90º), mientras que otros valores

del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen ser los

recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores

de 2 ms, logrando conseguir ángulos mayores de 180°. Si se sobrepasan los límites

de movimiento del servo, éste inmediatamente emite un zumbido, indicando que se

debe cambiar el ancho del pulso. El factor limitante es el tope del potenciómetro y

los límites mecánicos constructivos [11, p. 20].


El servomotor usado para las pruebas de funcionamiento es el Micro servo Tower Pro Sg90. Sus

características principales son las siguientes.

Peso: 9g

Velocidad: 0.12 seg / 60° @ 4.8V

Fig. 13.. Señal de control del servomotor micro servo Tower Pro sg90

Tomado de https://goo.gl/e4ErxC

Fig. 14.. Servomotor micro Tower Pro servo sg90

Tomado de: https://goo.gl/tQ2xXw


Torque: 1.98 Kg-cm @ 4.8V

Ángulo de rotación: 180°

Dimensiones: 22.6mm x 11.4mm x 22mm

F. Microcontroladores PIC

Un microcontrolador Es una computadora integrada con un chip , este dispositivo consta de una

CPU (Central Processor Unit), una memoria, unidades de Entrada/Salida y circuitos tales como

generador de reloj, módulos específicos, siendo capaz de procesar información, interactuar con su

entorno y responder ante estímulos [12].

Existen microcontroladores de gamas bajas, medias, alta y mejorada con una arquitectura de diseño

en común.

Gama Baja: Encapsulado que contiene 33 instrucciones de 12 bits.

Gama Media: Encapsulado que contiene 35 instrucciones de 14 bits.

Fig. 15.. Estructura de un microcontrolador

Tomado de: J. V. Rivero, «Microchip PIC,» 2009


Gama Alta: Encapsulado que contiene 58 instrucciones de 16 bits.

Gama Mejorada: Encapsulado que contiene 77 instrucciones de 16 bits.

Las diferentes aplicaciones desarrolladas con microcontroladores PIC, tienen ventajas como el bajo

consumo de potencia, inmunidad al ruido, diversidad de modelos para cumplir una necesidad

tecnológica donde ha requerido un microcontrolador, herramientas gratuitas para llevar a cabo

prototipos, fácil de usar, programación de tareas, circuito de vigilancia perro guardián, disposición

de osciladores RC (Resistor, Capacitor), XT (Xtal), HS (High Speed) y LP (Low Power) y posee

módulos como conversores A/D, modulación de ancho de pulso (PWM) y temporizadores internos.

Existen microcontroladores de 8 bits, como el pic18F4620, que sirven de base para la creación de

nodos utilizando comunicaciones inalámbricas bajo el protocolo MiWi, es así como se puede

conformar un nodo con un transceptor que soporte el protocolo MiWi, los transceptores tienen

características de comunicación SPI (Serial Peripheral Interface), alimentación y módulos de

control adicionales.

Según la descripción técnica del fabricante de microcontroladores de la familia 18F, la principal

característica de estos microcontroladores es que poseen una frecuencia de operación de hasta

40MHz, memoria de programa, memoria de datos, fuentes de interrupciones, cinco puertos que

pueden ser configurados como entradas y salidas, temporizadores, módulos de captura,

comparación y de PWM (Modulación por ancho de pulsos), comunicaciones seriales USART

(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter), MSSP (Master Synchronous Serial

Port) y 13 canales de módulos análogo-digital de 10 bits.


G. Vehículo de Guiado Autónomo (AGV) y Sistemas de Recuperación y Almacenamiento

Automatizado (ASRS)

Los vehículos de guiado autónomo (AGV) poseen características especiales, se trata de un móvil

robótico o mecatrónico que tiene funciones y tareas específicas que pueden cumplir y llevar a cabo

sin interacciones humanas o contacto físico. Las tareas pueden estar relacionadas con la ubicación,

almacenamiento y recuperación automatizada de piezas u objetos. En los sistemas de logística,

desempeñan funciones como la manipulación y distribución de mercancía moviéndose con

marcadores o rutas predefinidas para hacer más precisa la ubicación, estos sistemas se acoplan con

dispositivos electrónicos y sensores que permiten la movilización por las rutas ubicadas en el

espacio interior. Existe un prototipo también de vehículo guiado para la ubicación y recolección

automática de libros en ambientes bajo condiciones controladas acoplado con sensores y

comunicaciones bajo el protocolo MiWi [13].

Los sistemas automatizados de almacenamiento y recuperación (AS/RS por sus siglas en inglés),

consisten en sistemas controlados por ordenadores para recuperar y almacenar cargas en

ubicaciones conocidas y definidas con un alto grado de velocidad y exactitud, estas aplicaciones

son utilizadas en operaciones de logística, en donde existen volúmenes de cargas mayores que son

trasladadas dentro y fuera del almacén las cuales pueden ser limitadas al almacenamiento en el

espacio. En las operaciones de logística estos sistemas utilizados con vehículos de guiado

autónomo en espacios interiores han contribuido con desarrollo de las tareas diarias que pueden ser

de utilidad en procesos para llevar información en un inventario, el cual posee todas las funciones

Fig. 16.. Tabla comparativa PIC Microchip

Tomado de: J. V. Rivero, «Microchip PIC,» 2009


para cumplir las tareas en un ambiente logístico o en una empresa en la cual exista la necesidad de

recuperación y almacenamiento de información automatizada [13].

Las investigaciones de prototipos en Sistemas de Recuperación y Almacenamiento Automatizado

(ASRS) ofrecen tecnología que permite liberar de tareas a personas que están en áreas de trabajo

muy monótonas y es aquí donde los vehículos guiados automatizados entran al campo donde son

requeridos para cumplir dichas tareas programadas, para realizar y llevar a cabo cada una de sus

operaciones, que son coordinar la recuperación y almacenamiento de objetos y realizar

movimientos en el espacio o ambiente donde se van a utilizar [13].

H. Diseño en Eagle de la tarjeta electrónica

La tarjeta electrónica es la encargada de comunicar todos los dispositivos encargados del

procesamiento o envió de datos, La tarjeta integra dispositivos como: Módulo MiWi de

transmisión, Display LCD, microprocesador, y salidas de conexión para El servomotor.

El desarrollo de estas tarjetas se inicia elaborando el diagrama esquemático en el software “Eagle”,

y es presentada en las siguientes gráficas:

Fig. 17..Prototipo de Diseño AGV


Fig. 18.. Esquemático de la tarjeta electrónica

Fig. 19.. Placa de circuito electrónico


En la imagen se pueden observar los diferentes dispositivos electrónicos usados para el desarrollo

de la tarjeta, los cuales cuentan con: PIC18F4620, Módulo Bluetooth RN-41, módulo de

comunicación MiWi, Display LCD, puertos de conexión para el servomotor sg90; entre otros

componentes electrónicos como son resistencias, condensadores, reguladores de voltaje, siempre

importantes para el buen funcionamiento electrónico de la tarjeta.

I. Módulo bluetooth rn-41

A continuación, se dará a conocer las características técnicas del módulo bluetooth, utilizado para

la transmisión de los datos al PC que cuenta con la interfaz gráfica.

Módulo Bluetooth de bajo consumo (clase 1), flexible y económico que cumple con el estándar

802.15.1, Soporta diferentes protocolos de comunicación.

Es fácil de usar y está completamente certificado, lo que lo convierte en una solución embebida

Bluetooth completa.

Con su antena de alto rendimiento tipo chip y su soporte de Bluetooth enhanced data rate (EDR),

el RN-41 proporciona una rata de hasta 3Mbps para una distancia de hasta 100m.

Es una excelente solución para agregar comunicación inalámbrica Bluetooth a sistemas existentes.

[10].


VIII. METODOLOGÍA

A. Etapas del desarrollo

El objetivo principal del proyecto plantea varios retos en cuanto a diseño y desarrollo, este

involucra 4 dispositivos, cada uno de ellos con diferentes periféricos de medición, movimiento,

visualización y comunicación, por lo cual es necesario dividir el proyecto en diferentes etapas, las

cuales van desde configuración y calibración de sensores, hasta estructura y programación.

1) Programación

La programación del microcontrolador es el aspecto más importante del proyecto, en cuanto el

microcontrolador es el encargado del control de todos los dispositivos, además del almacenamiento

y manipulación de todas las variables del proyecto, es así como la programación es participe en la

completa duración del proyecto, desde el inicio con la calibración de cada uno de los periféricos,

hasta el final con la ejecución de pruebas y correcciones del mismo.

Debido a la robustez del proyecto, desde el inicio se plantea una programación modular, la cual

permite obtener cada vez un nivel más alto en la interpretación de las funciones y procedimientos

ya ejecutados, de tal manera que cada tarea cuenta con una o varias funciones propias, y casi que

cada elemento cuenta con sus propios archivos de cabecera y de cuerpo.


Todos los microcontroladores cuentan con un cristal de 4MHz y de acuerdo a dicha frecuencia se

generan las diferentes configuraciones de tiempos, necesarias para casi todas las funciones del

proyecto.

Desde la programación se desarrolla el método geométrico de la trilateración, para lo cual se

emplean diferentes técnicas que nos permiten al cálculo de la misma. El principal inconveniente

en cuanto al cálculo del método, surge cuando encontramos que es improbable que las tres

distancias al AGV generen 3 circunferencias las cuales se crucen en un único punto, para lo cual

se hace necesario hallar cada una de las intersecciones en cada par de circunferencias, y conociendo

los 3 puntos de intersección, hallar la mitad del triángulo formado por estos.

Fig. 20.. Programación del microcontrolador


2) Comunicación Inalámbrica MiWi

Para la comunicación inalámbrica se hace uso del protocolo MiWi por medio del módulo

MRF24J40MA, el cual se utiliza tanto en los nodos como para el AGV. La configuración base del

microcontrolador para el uso de dicho protocolo es tomada del ejemplo simple con el que cuenta

el compilador mplabc18, tanto para el nodo coordinador, como para los nodos esclavos.

Fig. 21.. Pruebas de la trilateracion del AGV.

Fig. 22.. Módulo MIWI MRF24J40MA.


Se elige una topología P2P (red de pares) ya que no era completamente necesario contar con un

enrutamiento, además era lo más adecuado por la simplicidad de la misma. Se podría llegar a pensar

que no era necesaria la configuración de un coordinador dentro de una red de pares, sin embargo,

en el protocolo MiWi la existencia del mismo es esencial para la creación de la red, para lo cual se

configura el AGV como coordinador. Es de tener en cuenta en la programación de cada nodo

incluyendo el coordinador, que todos deben contar con el mismo canal, la misma red, y diferentes

direcciones para el correcto funcionamiento de la red.

Otras modificaciones importantes en la configuración básica del protocolo MiWi, fueron referentes

al envió de datos y recepción de los mismos desde el código del microcontrolador, filtrando solo

la información relevante para el proyecto, lo cual otorgo mayor simplicidad y dinamismo a la

manipulación de los datos.

3) Sonar Ultrasónico

Para la implementación del sonar ultrasónico que se dispondrá en cada uno de los nodos y el AGV,

se hace uso del sensor ultrasónico SRF05, gracias a su alta precisión en comparación con otros

sensores del mismo segmento. Desde programación se logra configurar el dispositivo con la ayuda

de delays y del TIMER del microcontrolador para medir el retardo de la señal en microsegundos y

así poder determinar la distancia medida.

Contando con lo anterior, se procede a la configuración y calibración del servomotor, para lo cual

se hace uso de un generador de ondas, determinando con este los ángulos críticos del servomotor,

para luego lograr manipular con precisión el mismo desde el mismo microcontrolador con la ayuda

de delays.

La integración de ambos se realiza desde el mismo microcontrolador por medio de bucles que

permiten que el servomotor se situé en diferentes posiciones secuencialmente mientras el sensor

ultrasónico genera una medida en cada posición, al final mediante condicionales se logra

determinar la posición y distancia del objeto, que en la mayoría de los casos corresponde a la menor

distancia medida.


La disposición del sonar en el AGV cuenta con una variante adicional, debido a que esta

debe contar con un rango de visión de 360 grados, por lo cual se hace uso de un servomotor

adicional, logrando recorrer los primeros 180 grados con el primario, y para grados mayores con

el apoyo del secundario.

4) LCD

El LCD dispone de una configuración básica gracias a la librería xlcd con la que cuenta el

compilador mplabc18, con la cual se hace muy sencilla la manipulación del mismo, sin embargo

desde la misma programación se crean diferente funciones la cuales nos permiten mayor control

para visualizar diferentes variables del proyecto y estados del funcionamiento del mismo. En el

desarrollo de la PCB, se tiene en cuenta la utilización de un trimmer para el ajuste variable de la

Fig. 23.. Montaje del sensor ultrasonido y servomotor.


pantalla LCD, además de una alimentación para aquellas pantallas que cuentas con iluminación de

fondo.

5) Estructura Nodos

En el diseño del sistema de trilateración 2D es indispensable la utilización de 3 nodos, los cuales

funcionan independientemente en 3 diferentes posiciones conocidas, cada uno de ellos se encarga

de encontrar la distancia y ángulo del AGV dentro de un espacio determinado, para luego

transmitirla.

En la estructura de los nodos se tienen en cuenta factores como la altura del AGV, el ángulo de

visión de 90 grados, el material para ser detectados por el AGV, entre otros. Es de esta manera

como se hace uso de perfiles de acero de 40 centímetros de longitud, los cuales cuentan con una

superficie adecuada para la utilización de los sensores ultrasónicos, adicionalmente otorgan rigidez

al cuerpo de los mismos, sin necesidad de utilizar bases. Cada uno de los perfiles cuenta con una

perforación a 20 centímetros del suelo en una de sus esquinas, lo suficientemente amplia para el

movimiento de 90 grados del servomotor en conjunto con el sensor ultrasónico.

Fig. 24.. Montaje completo del Nodo


6) Estructura Vehículo de Guiado Autónomo

El vehículo de guiado autónomo dentro del sistema de trilateración 2D es el último y más

importante nodo, ya que este actúa como coordinador de la red y es el encargado de establecer la

red y controlar la conexión del resto de dispositivos dentro de la misma. Al mismo tiempo el AGV

cuenta con la mayor parte de la programación ya que este se encarga de recibir la información de

los nodos, filtrarla, corroborarla con la información obtenida, calcular su posición, dirección y

enviar la información a un medio visual.

El primer reto en el desarrollo del vehículo de guiado autónomo es el diseño de su estructura, ya

que para este se tienen en cuenta factores como el tamaño de la batería que alimenta los motores,

el material que recubre el vehículo debido a que este debe favorecer a los sensores ultrasónicos, la

capacidad de giro de este, entre otros. Para el vehículo se hace uso de motores 2 motores de

corriente continua, para lo cual se requiere una batería de 12 voltios y 18 amperios, adicional estos

están acompañados de una rueda loca la cual facilita los movimientos. En el recubrimiento del

vehículo se usan láminas de alfajor, ya que son fáciles de moldear y tienen una superficie adecuada

para el uso de sensores de ultrasonido, esta se dispone en forma cilíndrica cubriendo totalmente la

batería del vehículo y componentes electrónicos.

Fig. 25.. Estructura del vehículo AGV


Después de realizar el montaje y realizar diferentes pruebas básicas del funcionamiento de todos

los componentes, encontramos que el arranque de los motores de corriente continua genera bajos

en el suministro de corriente del microcontrolador, lo cual genera reinicios constantes del sistema,

por lo que se hace uso de una batería independiente de 9V para toda la parte de control.

Verificando el funcionamiento de los motores, se evidencia que el motor derecho cuenta con un

poco más de fuerza que el motor izquierdo, generando leves desviaciones hacia la izquierda cuando

se impulsa hacia adelante, y haciendo que los giros hacia la derecha sean más débiles. Para

solucionar tal inconveniente, se hace uso de retardos en el microcontrolador, haciendo que la señal

que le ingresa al motor izquierdo sea una proporción más elevada que la del derecho,

contrarrestando la diferencia de ambos. El control de los motores se hace por medio de un puente

H (L293D).

7) Diseño y desarrollo de PCBs

Luego de hacer pruebas iniciales de los componentes con una programación básica del

microcontrolador, se procede a realizar un diseño para el montaje de los mismos en una herramienta

de diseños de PCBs como lo es CadSoft EAGLE. Para tal fin se diseñó una tarjeta universal para

los nodos y el AGV, lo cual se logró adicionando algunos pines de los requeridos por los nodos.

Debido a que el tamaño de la tarjeta era importante para la disposición de la misma en los nodos,

se hizo lo más pequeña posible implementando un diseño doble capa, que nos permitió una mejor

distribución de los componentes. Esta cuenta con un juego de reguladores de voltaje, los cuales nos

permiten tener mayor libertad con los voltajes de alimentación de la tarjeta, que pueden ser entre

5V y 15V. Los reguladores son los únicos dispositivos fijos a la tarjeta además de capacitores y

resistencias, porque los demás son desmontables.


8) Interfaz Grafica

La interfaz gráfica se desarrolló en el entorno de desarrollo y visualización de LabView, en el cual

se configuro el modulo VISA para la recepción de información de un puerto serial, acompañado

de diferentes condicionales que permitieran obtener la información de las tramas utilizadas y

definidas en el sistema de trilateración para él envió de la información.

Dicho programa solo se encarga de descifrar cada una de las tramas en él envió de la información

para luego visualizarla, debido a que todo el cálculo de la trilateración es generado por el mismo

sistema. La interfaz hace uso de una gráfica de puntos, en la cual se ilustran dos puntos, uno que

ilustra el punto que representa la posición del AGV, y otro que ilustra la posición a la que se debe

dirigir el AGV, además de información del ángulo de dirección del AGV.

Fig. 26.. Desarrollo de la PCB.


B. Desarrollo de Pruebas.

Las pruebas se realizan en cada una de las fases del desarrollo del proyecto, sin embargo, se

tienen en cuenta las más relevantes, ya que componen la finalidad misma del proyecto. En

primera instancia se realizan pruebas de la precisión en la medición de distancias del AGV, para

lo cual se dispone de un radio de dos metros y medio, en donde se hace uso de uno de los nodos a

utilizar por el sistema de trilateración como objeto de referencia. Se realizan 50 medidas

diferentes en distintos ángulos, haciendo un comparativo con la medida real y determinando la

precisión de la medida.

Fig. 27.. Interface gráfica de la ubicación del AGV


Para la segunda y tercera etapa de pruebas, se hace uso de todos los nodos del proyecto incluyendo

el AGV, pero este último no realiza ninguna tarea de movimiento, ya que la finalidad de las mismas

es determinar la precisión del sistema en diferentes posiciones del objeto. El área de pruebas es de

150cm x 150cm, en donde los nodos se disponen de la siguiente manera.

Fig. 28.. Pruebas de presión para calcular la distancia del AGV


Se determinan 5 puntos que se distribuyen dentro del área determinada para la realización de las

pruebas, estos son: (75,75), (120,30), (120,120), (30,120), y (30,30). Además, también se tiene en

cuenta la dirección del vehículo, por lo cual este se dispone en 4 distintas direcciones en cada uno

de los puntos. Para dichas pruebas se generan 5 medidas por cada dirección en cada posición, lo

cual nos da un total de 100 pruebas por cada etapa de pruebas. Las pruebas se realizan conforme

se ilustra en la siguiente imagen.

Fig. 29.. Pruebas de presión para calcular la distancia del AGV en diferentes puntos del plano.


La diferencia entre la segunda y tercera etapa de pruebas, radica en la información que tienen en

cuenta para la ejecución de la trilateración, la segunda etapa hace uso de la información

proporcionada solo por los nodos, mientras la tercera etapa de pruebas hace uso de la información

corroborada tanto de los nodos, como el AGV.

La ultima y cuarta etapa de pruebas corresponde al funcionamiento integrado de todo el sistema,

calificando diferentes ítems del funcionamiento. Se definen dos posiciones dentro del área de

pruebas, a las cuales el AGV tiene que dirigirse, variando la posición inicial del vehículo. Los ítems

que se tienen en cuenta son: la correcta visualización de las posiciones en la interfaz gráfica, el

completo cumplimiento de la tarea asignada y la precisión en el cumplimiento de la tarea asignada.