Categoría: Estudiantes

Área Temática: Ingeniería Mecatrónica-Robótica

Resumen— La agricultura es una actividad fundamental

en el desarrollo mundial sin embargo existe, aun en la

actualidad, deficiencia en cuanto al manejo de dicha

actividad (sobre todo en países subdesarrollados)

relacionado al desaprovechamiento de grandes terrenos

(debido a que hay muy pocas personas que quieren trabajar

en zonas rurales y alejadas), problema de combatir

continuamente las plagas, monitoreo constante de los

cultivos, recolección de productos (frutas, verduras,) y

siembra.

El proyecto “Diseño e Implementación de un Robot

Móvil Autónomo dotado de Manipulación, Visión Artificial

y Navegación para aplicaciones en Agricultura” es un

aporte a la modernización del manejo de la agricu ltura

utilizando robótica y tecnología para facilitar y optimizar el

trabajo. El robot contara con los siguientes sistemas:

sistema de manipulación para poder coger objetos (frutos,

verduras, otros), sistema de v isión para reconocer objetos

específicos y un sistema de navegación para poder

desplazarse en una ruta (sobre el terreno agrícola) y con un

objetivo, evadiendo obstáculos del ambiente.

Para el sistema de manipulación se utilizara un brazo

robótico tipo PUMA, para el sistema de visión una cámara

web-cam junto con una estereoscópica y para la navegación

un GPS, una brújula para la orientación y sensores

ultrasónicos para detectar obstáculos.

Palabras claves: robot móvil autónomo, visión

artificial, manipulación, navegación, agricultura

Abstract- Agriculture is a key activity in global

development yet exists, even today, deficiency in the

management of this activity (especially in underdeveloped

countries) related to the waste of large lots (because there

are very few people who want to work in rural and remote

areas), problem of combating pests continuously, constant

monitoring of crops, harvesting products (fruits, vegetables)

and planting.

The project "Design and Implementation of an

Autonomous Mobile Robot with Manipulation, Vision and

Navigation for applications in Agriculture" is a contribution

to the modernization of agriculture management and

technology using robotics to facilitate and optimize the

work. The robot will feature the following systems:

handling system to pick up objects (fruits, vegetables, etc.),

vision system to recognize specific objects and a navigation

system to move in a trade (agricultural land) and a goal,

avoiding obstacles in the environment.

For handling system used type PUMA robot arm, fo r the

vision system web-cam camera along with a stereo and

GPS navigation, a compass for orientation and ultrasonic

sensors to detect obstacles.

Keywords: autonomous mobile robot, vision,

manipulation, navigation, agriculture

Introducción:

“DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN ROBOT MOVIL

AUTONOMO DOTADO DE MANIPULACIÓN, VISION

ARTIFICIAL Y NAVEGACION PARA APLICACIONES EN

AGRICULTURA”

AUTORES: Contreras Martínez Dimel Arturo, arturocontrerasmartinez@gmail.com

Barrera Camarena José Luis, jbarrerac.02@gmail.com Veramendi Espinoza Roberto, rve164@hotmail.com

ASESORES: M.Sc. Ing. Ricardo Rodríguez Bustinza robust@gmail.com

Ing. Iván Calle Flores ivan_calle8@hotmail.com

(Investigador 1)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

Title:

“DESIGN AND IMPLEMENTATION OF AN

AUTONOMOUS MOBILE ROBOT WITH

MANIPULATION, VISION AND NAVIGATION

FOR APPLICATIONS IN AGRICULTURE”

1. Introducción:

La utilización de robots fuera de las aplicaciones

industriales desde hace varios años ha comenzado a mostrar

un gran avance en el aporte de soluciones para muchas

necesidades que el hombre tiene y que van creciendo día

tras día en busca de una mejor forma de vida, mejorando el

desarrollo de la sociedad en todos los campos en que exista

la posibilidad de robotización. Y de esa necesidad nace una

nueva era para el sector agrícola, la era de los robots

agricultores. Queremos destacar que los robots no son un

reemplazo de los humanos, sino herramientas, máquinas y

sistemas que nos pueden servir para mejorar en muchos

aspectos de nuestra vida

En términos generales el robot será de cinemática

diferencial, la manipulación se realizara a través de un

brazo robótico y una cámara estereoscópica para la

detección y triangulación de la posición del objet ivo, para

la navegación autónoma utilizaremos los sensores GPS,

Magnetómetro o brúju la, u ltrasónicos y los encoders de los

motores(para controlar en lazo cerrado las velocidades

asignadas a los motores por el algoritmo de control de la

navegación), para la parte de procesamiento se realizara un

sistema distribuido de microcontroladores dedicados a los

módulos mencionados además de una Laptop para el

procesamiento de la visión. A l ser este robot un sistema

complejo, ya que integra muchos sistemas ya mencionados,

lo que se planea en el proyecto es desarrollar por separado

los sistemas de visión-manipulación y de navegación

autónoma. Para ello las tareas iniciales del robot serán las

siguientes: para el sistema visión-manipulación se deberá

poder identificar objetos con características específicas

(color y forma) y ubicarlo en el espacio (visión

estereoscópica), luego el brazo robótico junto con la base

móvil harán un tracking al objeto. Por otro lado el sistema

de navegación deberá planificar y ejecutar el movimiento

del robot en rutas especificas (mapa determinado por

coordenadas GPS) y con un punto de meta (coordenada

GPS), para ello el robot se valdrá de los sensores

ultrasónicos para detectar obstáculos, el GPS para saber su

posición actual y una brújula para saber su orientación.

Las funciones del robot en la agricultura serán: poder

desplazarse por todo el terreno agrícola por rutas

determinadas para cumplir ro les de fumigación, ya que esta

tarea es dañina para las personas, monitoreo para saber

constantemente el estado de la producción agrícola,

recolección utilizando visión artificial y la manipulación; y

en un futuro para prototipos mas grandes del robot hacer lo

que es el arado por rutas especificas del terreno además de

siembra y otros.

2. Objetivos:

I. Elaboración de un robot útil para uso en la

agricultura, o rientado a las tareas como monitoreo,

fumigación, recolección y otros.

II. Diseño y fabricación de la estructura mecánica

dela base móvil y manipulador robótico (brazo

robótico).

III. Diseño y desarrollo del hardware para el manejo

de los sensores y actuadores.

IV. Diseño de software para el control de la

manipulación, navegación y visión.

V. Integración de todos los sistemas propuestos:

manipulación, navegación y visión.

3. Descripción del Proyecto:

El robot cuenta básicamente con 3 sistemas: Manipulación,

Visión Artificial y Navegación, estos sistemas por sí

mis mos son complejos, por ello se tendrá que hacer un

estudio (simulaciones y pruebas) de cada uno. Sin embargo

cabe resaltar que los 3 sistemas interactúan constantemente.

Con respecto a la aplicación del robot, la funcionalidad

final que se le de al robot (ya sea fumigación, recolección o

monitoreo) se tendrá que adaptar y programar de acuerdo al

terreno, ya que lo que se desarrollara en el proyecto es la

plataforma sobre la cual se podrán programar y asignar

tareas fácilmente.

A continuación se detallaran los sistemas que poseerá el

robot:

a) Manipulación

La manipulación se basa en un brazo robótico de 5gdl t ipo

PUMA el cual se construirá con actuadores que serán

servomotores (Tower Pro) y de un material ligero como lo

es el acrílico(o alumin io). El calculo de las variab les

articulares se hará mediante cinemát ica inversa, ya que se

conocerá el punto objetivo.

Las ecuaciones utilizadas serán:

q: Vector de variab les articulares

P: Vector de posición cartesiana

J (q): Jacobiano del vector q.

Para el diseño mecánico se está utilizando Solidwork y para

las simulaciones de cinemática inversa Matlab –

SimMechanics.

Diseño del brazo del brazo de 5gdl

Ya que se tiene que manipu lar objetos como frutas y

verduras, se elaborara un gripper de acuerdo a una medida

promedio de estos objetos.

Gripper del brazo robótico sacando frutas

b) Sistema de Visión Artificial

El sistema de Visión Artificial se basa en una cámara

estereoscópica (y una webcam para pruebas iniciales), la

adquisición del video e imagen además del procesamiento

y generación de instrucciones se hará por una laptop que

ira encima del robot .Básicamente la misión del sistema de

visión será la ubicación y detección de los objetivos

(cuando se trate de recolección u otras tareas en las que

tenga que identificar algunos objetos en particular) , los

patrones para la discriminación del entorno respecto al

objetivo serán : la forma del objeto y el color .Luego la

obtención tridimensional de la posición del objetivo se hará

por triangulación gracias a la cámara estereoscópica.

Por otro lado cabe resaltar que para otros proyectos de

robots móviles autónomos, utilizan la visión estereoscópica

para reconstruir en 3D en entorno y según eso navegar,

bueno en este proyecto no es esa la intención de la v isión

3D, sino mas bien ubicar espacialmente los objetivos para

darle la información de sus coordenadas al sistema de

navegación y de manipulación.

-Cámara Estereoscópica

Esta cámara consta de dos cámaras ubicadas en e1, e2 y

separadas una distancia d, es así que se logra capturar dos

imágenes que se superponen en una región. A partir de esa

región, con técnicas de correlación y triangulación se logra

obtener la profundidad los puntos pertenecientes al objeto

común de las imágenes.

Técnica de triangulación para ubicación 3D de un punto.

La cámara estereoscópica necesita ser calibrada

inicialmente, este proceso es esencial para tener medidas

correctas.

La cámara estereoscópica que se está en proceso de

importación es una cámara muy buena, ya antes utilizada en

investigación.

Sistema Visión

Sistema

Navegación

Sistema

Manipulación

Cámara estereoscópica Bumblebee

c) Sistema de Navegación

El sistema de Navegación se basa en los siguientes

sensores:

I. GPS:

Sensor que nos indica la posición global (sistema de

posicionamiento global) , es decir con respecto al meridiano

de Greenwich y el Ecuador . .Gracias a ello podemos decir

que en todo momento podemos conocer la posición del

robot.

Los valores que nos servirán del GPS son:

-Latitud:

Angulo del plano paralelo al ecuador, en el cual se ubica el

robot, respecto al Ecuador y con vértice en el centro t ierra.

-Longitud:

Angulo del plano paralelo al meridiano de Greenwich, en el

cual se ubica el robot, respecto al merid iano de Greenwich

y con vértice en el centro tierra.

El GPS que se utilizara es el GPS MAESTRO A2000 que

nos proporciona la empresa DELCOMP.

GPS MAESTRO A2000

II. Brújula:

Sensor que nos indica la intensidad de los polos magnéticos

de la Tierra, gracias a ello podemos utilizarlo para tener una

referencia de la orientación del robot respecto a un sistema

fijo como es la t ierra y sus polos magnéticos. Gracias a ello

podemos decir que en todo momento podemos conocer la

orientación del robot. La brú jula que usaremos es el

HMC5883L.

Brújula digital HMC5883L

III. Sensor ultrasónico:

Sensor que mide d istancias en un rango permitido (el que se

usa es SRF04 de 5cm-3m) , es así que podemos saber si

existe algún obstáculo mientras el robot se desplaza ya que

los obstáculos se evadirán cuando estos se detecten que

están presentes dentro de un área de 40cm cerca(pej.).

Sensor Ultrasónico SRF04

Esquema del Sistema de Navegación

IV. Base Móvil:

La base móvil será de cinemát ica diferencial, y para mayor

estabilidad 2 ruedas tipo castor de apoyo.

Los motores a utilizar tendrán encoders para control de

velocidad (se buscara también para control de posición).

El modelo cinemático del robot es el siguiente:

Primer modelo mecán ico de la base móvil:

Modelo del la base diferencial

d) Sistema distribuido de Microcontroladores:

Como se aprecia en el sistema de navegación se hace uso

de varios sensores, estos sensores son digitales y se

comunican de la siguiente manera:

GPS: UART tx-rx

Bru jula: I2C sda-scl

Ultrasónico: Digital trigger – echo –time

Es por ello que lo se necesita tener un microcontrolador que

pueda leer satisfactoriamente estos sensores que utilizan los

protocolos mencionados.

Además de ello se necesita un microcontrolador que genere

las señales de control (PWM) hacia los actuadores:

Servomotores:

-Para el b razo robótico y para articu laciones de la base de la

cámara.

-Motores:

Se necesitan 2 motores para la base móvil.

Para la implementación del proyecto se separo por módulos

que integran el sistema, los cuales son los siguientes:

I. MPT: Módulo de plan ificación de tareas.

II. MS: Módulo de Sensoria.

III. SNA: Módulo de control de navegación.

IV. SV : Modulo de Visión

V. MCCD: Modulo de Ejecución de Señales de

Control.

Esquema de integración de los sistemas