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, [email protected]
Barrera Camarena José Luis, [email protected] Veramendi Espinoza Roberto, [email protected]
ASESORES: M.Sc. Ing. Ricardo Rodríguez Bustinza [email protected]
Ing. Iván Calle Flores [email protected]
(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