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Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Página intencionalmente dejada en blanco. Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Recopilado por: Universidad Politécnica de Victoria Núcleo Académico Básico de Posgrado Cuerpos Académicos: Sistemas Inteligentes Aplicados Sistemas de Información Manufactura de Materiales Avanzados Optimización de Sistemas y Prototipos Mecatrónicos Editores: Dr. Marco Aurelio Nuño Maganda Dr. Martı́n Hernández Ordoñez Los artı́culos incluidos en este libro fueron presentados en el Primer Congreso Nacional de Ingenierı́a (CONNAI), 2014, celebrado en las instalaciones de la Universidad Politécnica de Victoria, en Ciudad Victoria, Tamaulipas, México, los dı́as 18 y 19 de Septiembre de 2014. Los documentos incluidos en Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales, por Marco Aurelio Nuño Maganda y Martı́n Hernández-Ordoñez (coords.) se encuentran bajo una licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional License. Obra disponible de manera electrónica en: http://posgrado.upvictoria.edu.mx/connai2014/programaPreeliminar. html Documento electrónico publicado por la Universidad Politécnica de Victoria, Ciudad Victoria, Tamaulipas, Septiembre, 2014. El contenido (textos e imágenes) de los artı́culos es responsabilidad de cada autor. ISBN: 978-607-00-8778-3 Mensaje a los autores Estimado investigador Los editores y coordinadores de este libro tiene el agrado de darle la bienvenida y de hacer llegar a usted la recopilación de los trabajos realizados por todos los participantes, como contribución a este esfuerzo para difundir las labores de investigación que cotidianamente se realizan en las instituciones de educación superior a lo largo de la República Mexicana, potenciando su impacto a través de la difusión a nivel nacional y propiciando el encuentro de investigadores con inquietudes similares, como punto de partida para nuevos y fructı́feros proyectos. Cada una de las contribuciones seleccionadas ha sido revisada por, especialistas designados por el comité cientı́fico, buscando siempre la presentación de los trabajos de mayor calidad para estimular los esfuerzos crecientes de los distintos sectores que procuran contribuir, a través de la investigación, al desarrollo tecnológico con impacto económico y social, como una vı́a para mejorar la calidad de vida de los habitantes de nuestro paı́s. El esfuerzo no ha sido fácil y su culminación ha sido posible gracias al decidido apoyo de las autoridades de la Universidad Politécnica de Victoria, encabezadas por la Mtra. Sonia Maricela Sánchez Moreno, rectora de esta casa de estudios. Los editores y coordinadores. Ciudad Victoria, Tamaulipas, 18 de septiembre de 2014 v Página intencionalmente dejada en blanco. Colaboradores Dr. Carlos Adrián Calles Arriaga Dr. Yahir Hernández Mier Dr. Juan López Hernández MSI. José Fidencio López Luna Dr. Martı́n Hernánez Ordoñez Dr. Marco Aurelio Nuño Maganda Dr. Manuel Benjamı́n Ortiz Moctezuma Dr. Enrique Rocha Rangel vii Página intencionalmente dejada en blanco. Índice Mensaje a los autores v Comité organizador vii Índice ix Tecnologı́as de la Información Sistema Intérprete de Lengua de Señas para Escuelas Incluyentes. Gloria Mónica Martı́nez Aguilar et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema de visión para la clasificación y seguimiento de vehı́culos en tiempo real. Raúl Humberto Peña González, Marco Aurelio Nuño Maganda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Implementación en FPGA de un autómata celular para operaciones morfológicas en imágenes binarias. Oswaldo Ureña Ponce et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desarrollo de una Aplicación Móvil Educativa para el Control de la Diabetes Tipo 1. José Margarito Canseco Cortinas et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filtro FIR con Procesamiento Paralelo Masivo. Ramón Dı́az de León Zapata, Gloria del Carmen Rendón Sustaita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Librerı́a genérica para el control de dispositivos Coin changers y Bill acceptors utilizando el protocolo MDB y puerto serial. Guadalupe de Jesús Morales Bocanegra, Antonio Cortina Reyes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Combinación de software de obtención de imágenes de ultrasonido con librerı́as Wavelet para el realce de bordes en la imagen. Heber Eduardo Arango Contreras, Rubén Machucho Cadena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sintetizador de Fourier. Antonio Salvá Calleja, Luis Antonio Altamirano Yépez, Vı́ctor Manuel Sánchez Esquivel . . . . . . . . Modelado de una lı́nea de producción empleando redes de Petri y reconocimiento de patrones. Ismael Vázquez Salazar,Rubén Machucho Cadena, Enrique Martı́nez Peña . . . . . . . . . . . . . . . . Detección de llantas basada en imágenes. Luis Rodolfo Garcı́a Garcı́a, Marco Aurelio Nuño Maganda and Yahir Hernández Mier . . . . . . . . . Un Enfoque de Mejora a Diagramas de Clase UML con un Modelo basado en el Algoritmo Genético. Rubén Darı́o Sánchez Hernández, Rubén Machucho Cadena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mecatrónica Experiencias al Desarrollo Cientı́fico y Tecnológico de Sistemas Más Eléctricos. Francisco Javier Pérez Pinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelado y Simulación de un Motor Diesel Sobrealimentado. Ubaldo Javier Flora Velasco et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diseño y Construcción del Prototipo de un CNC de tres ejes. Juan Pedro Gómez Virgilio et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diseño de una plataforma robótica de 3 grados de libertad para la enseñanza en mecatrónica. Hugo Rı́os et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reconstrucción de la interfaz del sistema de control del brazo articulado tipo antropomorfo marca Pegasus. Raúl Hernández Zúñiga et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desarrollo de los componentes mecánicos del robot didáctico “MANOU”. Jaime Alberto Maganda Carvajal et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix 1 3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 . 49 . 53 . 57 . 61 . 65 . 69 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Importancia de los Modelos de Simulación de Eventos Discretos como Herramienta de Apoyo para Resolver Problemáticas de Empresas Manufactureras de la Región Ribereña. Manuel Barrena, Zinthia Ayala, Héctor Diez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Implementation of a Bluetooth interface for controlling a PWM based on a Spartan-3E FPGA. José de Jesús Lorenzo Alegrı́a Cerda, José Felipe Aguilar Pereyra, Salvador Hernández González . . . . Control difuso implementado en un PIC para el cultivo hidropónico de tomate Manuel Meléndez Romero et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generador de Señales Periódicas Determinı́sticas o Aleatórias Empleando un Microcontrolador Hc08 Antonio Salvá Calleja, Luis Antonio Altamirano Yépez, Sabino Ortega Monjarás . . . . . . . . . . . . . Invernadero Automatizado a Escala Jaime Alberto Maganda Carvajal et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 77 81 85 89 Tecnologı́a de los Materiales 93 DyE Sensitized Sollar Cell Scale Up From Cell to Module Renan Escalante Quijano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Uso de plantas Naturales para Generar Energı́a Eléctrica Julio Garcı́a, Pablo Carbó, Enrique Rocha Rangel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Manufactura de Cerámicos de Matriz base Alúmina (Al2 O3 ) Reforzados con Nanopartı́culas de Titanio (Ti) Sergio Esparza Vázquez et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Desarrollo de Nuevos Materiales Aislantes Obtenidos a partir de Desechos Metalúrgicos y Precursores de Titanatos de Potasio. Zinthia Ayala et al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Desarrollo de una Interfaz de Monitoreo a Distancia de Celdas Fotovoltaicas Sensibilizadas con Colorante. Luis Miguel Mejı́a Gallegos, Enrique Martı́nez Peña, Rocha Rangel, Enrique . . . . . . . . . . . . . . . 109 Índice de Autores 113 Índice de Autores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Índice de Instituciones 115 Índice de Instituciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 ISBN: 978-607-00-8778-3 Página x Tecnologı́as de la Información 1 Página intencionalmente dejada en blanco. Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Sistema Intérprete de Lengua de Señas para Escuelas Incluyentes Gloria Mónica Martínez Aguilar, Martha Elba Mota Barragán, Antonio López Domínguez, Miguel Ángel Vital, Corpus, Nayeli Berenice Bedolla Ruiz, Miriam Liliana Molina Jiménez. Universidad Tecnológica de Torreón, Torreón, México. [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Abstract—El Sistema Intérprete de Lengua de Señas para Escuelas Incluyentes, está diseñado para ser una herramienta intérprete de Lengua de Señas Mexicana (LSM) que apoye a las personas con discapacidad auditiva en su formación académica. El programa se realizó de manera modular y es adaptativo, cuenta con dos formas de introducción de datos: texto y reconocedor de voz, las cuales permiten a los docentes transmitir sus clases sin alguna limitación a los alumnos. Palabras claves— escuela incluyente, discapacidad auditiva, interpretar, lengua de señas. I. INTRODUCCION Este proyecto surgió en la Universidad Tecnológica de Torreón al observar que en México según datos del INEGI hay 5.7 millones de personas con alguna discapacidad y de este total un 16.5% no puede oír y un 8.6% no puede hablar o comunicarse; esto es un claro impedimento al acceso a la educación. Conforme a esto, se creó el Sistema Intérprete de Lengua Mexicanas para Escuelas Incluyentes como herramienta para la inclusión de personas con discapacidad auditiva que no pueden continuar con su educación debido a la falta de preparación para atender estas limitantes en las escuelas, y también a causa de la carencia de recursos económicos para contratar un intérprete para cada sordo. Actualmente se cuenta con diccionarios con palabras ya predeterminadas de Lengua de Señas Mexicanas (LSM), los cuales únicamente son herramientas útiles para la enseñanza y el aprendizaje de la lengua. También existe un traductor de lengua de señas para sordos en Colombia, el traductor es web y exclusivamente por texto. II. MARCO TEÓRICO A. Lengua de Señas Una lengua de señas, es una forma de comunicación visual que utilizan las personas con una discapacidad auditiva, y está conformado por un sistema de movimientos manuales, faciales y corporales. De acuerdo con la Federación Mundial de Sordos (WFD por sus siglas en inglés) la lengua de signos no es universal, en el mundo se emplean cientos de ellas. [3] ISBN: 978-607-00-8778-3 B. Discapacidad Auditiva Ríos Hernández, M. (2003) considera la discapacidad auditiva como “aquel trastorno sensorial caracterizado por la pérdida de la capacidad de percepción de las formas acústicas, producida ya sea por una alteración del órgano de la audición o bien de la vía auditiva”. C. Escuela Inclusiva La UNESCO define que la educación inclusiva significa que todos los niño/as y jóvenes, con y sin discapacidad o dificultades, aprenden juntos en las diversas instituciones educativas regulares (preescolar, colegio/escuela, post secundaria y universidades) con un área de soportes apropiada. D. Software Es la parte lógica del computador que está compuesta por todos los programas, rutinas y sistemas que permiten al computador ejecutar sus funciones. El Software se divide en: Software Utilitario, Software Operativos y Software de Aplicación. [4] E. Base de Datos SQL Server Una base de datos de SQL Server consta de una colección de tablas en las que se almacena un conjunto específico de datos estructurados. Una tabla contiene una colección de filas, también denominadas tuplas o registros, y columnas, también denominadas atributos. [5] F. Reconocimiento de voz El reconocimiento de voz es la capacidad de un ordenador, de convertir, las palabras de la vos humana a un código binario comprensible por la computadora. Es el proceso automático de conversión de palabras habladas a palabras escritas. [6] III. DESARROLLO DEL SISTEMA El sistema se desarrolló en módulos (figura 1), los cuales fueron creados para que en conjunto se realice la correcta interpretación, y para que cuándo se requiera hacer una modificación o actualización no se tenga que corregir todo el Página 3 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales programa. Simplemente las líneas de código que sean necesarias. reconocer una palabra que pertenezca a la gramática muestra un video de la seña correspondiente junto a su debido subtítulo. Y por último, la quinta ventana es la de interpretación a LSM, la cual tiene dos maneras de realizar la interpretación; reconocimiento de voz, que comienza a reconocer las palabras que se pronuncian y al decir una palabra clave realiza la interpretación que es mostrada en una lista de reproducción de videos con sus subtítulos correspondientes. La otra forma es mediante la escritura, donde se teclea la frase que se quiera interpretar, y presionando un botón se realiza la interpretación. Fig. 1 Mapa de módulos del sistema La función de cada módulo es la siguiente:  Principal: es el encargado de unir todos los módulos para obtener el funcionamiento correcto.  Gramática: se almacena todas las palabras que el sistema puede reconocer.  Base de Datos: lista del vocabulario.  Lengua de señas: métodos y funciones para la correcta interpretación a la lengua de señas.  Reconocimiento de voz: realiza la conversión de voz a texto. El software fue desarrollado en Visual Studio 2012 en lenguaje C#, SQL server para la implementación de la base de datos, xml para la creación de la gramática y srt para los subtítulos de los videos. A. Interfaces del Sistema Todas las ventanas fueron diseñadas de forma cuidadosa para que sean lo más simples de usar, legibles y que cualquier persona pueda manipular el software sin ningún problema. La primera ventana en desarrollar fue la de inicio de sesión, la cual comprueba el usuario que desea ingresar. El primer usuario es el Invitado, este solo puede acceder al uso del Sistema Interprete. El segundo usuario es el Administrador, que es quien tiene el permiso de añadir nuevas palabras a la gramática. La segunda ventana fue la de agregar nueva palabra, que consta de una caja de texto donde se introduce la nueva palabra, un botón para buscar la ruta del video de la palabra y un botón de guardar cambios. Al seleccionar el video se reproduce una vista previa y se guarda en la carpeta con los demás videos. Al guardar cambios se agrega la nueva palabra a la gramática y se generan los subtítulos del video. La tercera ventana permite la opción de seleccionar el idioma: español que interpreta a Lengua de Señas Mexicana (LSM) e inglés que reconoce las palabras en American Sign Language (ASL). La cuarta ventana que es la de inglés, esta consta de un botón para comenzar el reconocimiento de voz, que al ISBN: 978-607-00-8778-3 Fig. 2 Interfaz del Sistema Intérprete de Señas para Escuelas Incluyentes B. Base de Datos del Sistema Lo que se buscó en esta base de datos es que mediante ella se pueda hacer una traducción conceptual, de modo que sea práctica y conveniente para los alumnos sordos. Para un trabajo más exacto, primero se localizaron los sustantivos y verbos más usados en el idioma Español. Después, se clasificaron para ir enriqueciendo la base datos por áreas, para esto analizaron primero los conceptos sobre los cuales se iba a trabajar. Por ejemplo: familia, sociedad, educación, etc. Se analizó el uso de la LSM y el español, se llegó a la conclusión de que siendo el español un idioma tan rico en sustantivos, palabras homófonas y homónimas; se tendría dificultad para encontrar una traducción adecuada o completa. Finalmente, se comenzó a generar la base de datos en SQL Server 2008 con las palabras que estarían en la gramática y se continuó con la grabación de videos de cada seña que conforma dicha base de datos, esto fue realizado en formato .AVI. C. Programación del Sistema Intérprete Antes de comenzar a escribir el código se estudió la Lengua de Señas Mexicana, con la colaboración de un sordo y un intérprete, para así llegar al objetivo de crear un sistema que cumpla los requisitos necesarios de la lengua. La codificación se realizó en el mismo orden que las ventanas. Se agregaron las referencias Axwmplib que es utilizada para la reproducción de los videos en las ventanas, Speech.Recognition permite el reconocimiento de voz y la de IO para la manipulación de archivos y textos. Página 4 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Se crearon distintos métodos para la correcta compilación del sistema.  Método para la separación de la frase en palabras, el cuál almacena en un arreglo las palabras que están separadas por espacio. La tabla muestra que el software puede reconocer los distintos tonos de voz, pero se obtuvo un mejor resultado en las personas que gesticulan y articulan correctamente al hablar.  Método de unir frase, después de analizar la gramática y realizar la interpretación se juntan las palabras y se forma la oración con el orden gramatical correspondiente a la lengua de señas.  Método de detección de tiempo del verbo, en este apartado se creó un algoritmo que analiza la terminación de cada palabra, para de este modo, determinar el tiempo en que se escribe la palabra y si es un verbo, lo acomoda al final de la oración.  Método de preguntas, el programa al detectar que se pronuncie la palabra clave correspondiente a una pregunta, agrega el signo de interrogación al principio de la oración y acomoda gramaticalmente la frase.  Método de preposición de tiempo, este se utiliza para cuando se menciona el tiempo (pasado, futuro, presente) lo acomode al principio de la oración. Se desarrolló una gramática en formato XML que contiene todo el vocabulario que se puede reconocer mediante la voz, ya sea en inglés o bien en español. Cada palabra nueva se va agregando al final de la gramática y no tiene límite de extensión. Se codificó la ventana de interpretación en español para que se pudiera cambiar la forma de introducción de frases; reconociendo voz o texto. Cuando se pronuncia la palabra clave, se comienza el proceso de análisis de la oración para obtener su adecuada interpretación a LSM, siguiendo con el reconocimiento de voz para continuar en funcionamiento. IV. PRUEBAS El Sistema Intérprete fue probado por usuarios docentes, los cuales realizaron las pruebas de reconocimiento de voz y en los usuarios con discapacidad auditiva se analizó la aceptación del sistema. La prueba del reconocimiento de voz fue ejecutada en 30 personas, de las cuales 15 fueron mujeres y 15 hombres. La cuál se realizó con el fin de comprobar que puede ser utilizado por ambos sexos. Esta prueba consistió en que cada persona participante leyera 3 frases sin ruido ambiental y estas mismas 3 frases pero ahora con ruido, para simular el ambiente en un salón de clases. (Figura 3) Los resultados fueron los siguientes: Sin Ruido Con Ruido Mujeres 97.8% 86.7% Hombres 86. 7% 93. 3% General 92. 2% 90% Fig. 3 Prueba de reconocimiento de voz. La segunda prueba, (figura 5) fue realizada con la colaboración de 30 personas con discapacidad auditiva, a las cuales se les mostraron 5 frases escritas en español e interpretadas a LSM. Sordos Aceptado No Aceptado 93.3% 6. 7% Fig. 4 Resultado de la aceptación del programa. Después de analizar las interpretaciones, se cuestionaron los siguientes aspectos, de los cuales se obtuvo el resultado de la figura 2.  93.3% declara que la interpretación de las señas es clara, es decir, que se puede comprender el significado de lo que se está interpretando en ese momento.  96.6% piensan que la velocidad de interpretación es adecuada.  93.3% opina que la traducción de las señas es sencilla.  90% considera que la seña se reproduce bien en los videos.  100% expone que la calidad de los videos es buena, aunque se podría mejorar.  Todos los encuestados opinan que ésta es una buena herramienta que ayudará en las clases.  86.7% considera que el tamaño de los videos es adecuado, mientas que el 13.3% piensa que debería ser más amplio o contar con una pantalla exclusiva para visualizarlo.  Otro 86.7% piensan que los subtítulos son adecuados para la mejor comprensión. Mientras que el resto opinan que no es esencial contar con estos subtítulos. Fig. 2 Resultados de prueba de reconocimiento de voz ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 5 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales El Sistema Intérprete de Lengua de Señas para Escuelas Incluyentes, no solamente se puede utilizar en el campo de educación, ya que puede ser empleado en cualquier campo social donde se tenga interacción entre personas. Por ejemplo: en los hospitales, oficinas de seguridad, hoteles, taquillas, restaurantes, etc. Este sistema cuenta con más de 5,000 palabras en español, y 700 en inglés, pero con la ventaja de poder modificar o bien incrementar la gramática, según se requiera en el área en que se esté implementando el sistema. Fig. 5 Encuesta a personas sordas. Las preguntas se realizaron para ver si les era favorable el uso del Sistema Intérprete como una herramienta de estudio o bien para comunicarse. El porcentaje no aceptado fue obtenido porque algunas de estas personas piensan que hace falta que el recuadro de video sea más grande, o bien porque no tienen amplio conocimiento de su propia lengua. Y el otro lado el porcentaje que fue aceptado dicen que les agrada la idea que cuente con subtítulos porque si no comprenden bien la seña pueden deducirla al leer el texto. Con los resultados obtenidos, se infiere que el Sistema Intérprete de Lengua de Señas para Escuelas Incluyentes arroja un alto porcentaje de aceptación en su funcionamiento y se puede implementar en las escuelas como apoyo, y esto sería de gran beneficio para aquellos que no pueden contar con un intérprete personalizado, y para que el profesor pueda impartir su clase adecuadamente para las personas con esta discapacidad sin ninguna barrera de comunicación. A. Análisis del Sistema La WFD es una organización no gubernamental internacional que representa a aproximadamente 70 millones de personas sordas de todo el mundo. Reconocida por los Naciones Unidas (la O.N.U) la WFD trabaja con la O.N.U y sus agencias, para promover los derechos humanos de las personas sordas de acuerdo con los principios y objetivos de la carta de la O.N.U, la declaración universal de derechos humanos y otros actos generales y recomendaciones de la O.N.U y de sus agencias especializadas. “Al año, en México nacen 2 mil 400 niños con sordera y sólo 10% recibe educación especial.” Y este fue el problema que inspiró en desarrollar esta herramienta, que solo pocas personas sordas reciben una educación. Y se ha visto que no todas las instituciones educativas cuentan con un intérprete de Lengua de Señas. Es por eso, que la Universidad Tecnológica de Torreón, está interesada en ser parte del sector educativo de escuelas incluyentes, por tal motivo es que desea dar un paso con el proyecto: “Sistema intérprete de lengua de señas para escuelas incluyentes”, el cual es una alternativa a este problema. ISBN: 978-607-00-8778-3 Uno de los factores que hace peculiar este programa es que no realiza una traducción de español signado, que significa que va mostrando la traducción palabra por palabra como se escribe en español, sino que hace una interpretación a LSM, es decir, que analiza la frase y la acomoda conforme a la gramática, para que de esta manera se llegue al propósito de transmitir conocimientos de tal forma que sea comprendida por el receptor. V. CONCLUSIONES Se plantea que el software realizado beneficiará en gran magnitud al sector educativo en el país, ya que en México no se cuenta con una herramienta similar que apoye a las personas con discapacidad auditiva. Permitirá el ingreso de nuevos alumnos con esta discapacidad a la Universidad Tecnológica de Torreón, logrando ser reconocida a nivel nacional en su inclusión de alumnos. Culturalmente en México no se apoya a estas personas, por lo que con esta herramienta, podrá abrirse el panorama para reflexionar a fondo sobre la forma en que se imparte la educación, y de esta manera poner más atención en que todas las personas tienen derecho a la educación sin ser excluidos. Con el programa se ayudará a la interacción social, ya que conforme las personas vayan familiarizándose con las señas se motivarán para poder llegar a comunicarse, creando vínculos sociales. Otro punto importante es que gracias a los subtítulos que se muestran durante la interpretación, los usuarios sordos comprenderán la escritura en español, y de esta manera irán mejorando su forma de redacción. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] Merche Ríos Hernández. (2003). Manual de Educación Física Adaptada al Alumno con Discapacidad. 2da. Edición. España. Paidotribo. Ferguson J., Patterson B., Beres J., Boutquin P., Gupta M., La Biblia de C#, Anaya Multimedia 2003, 835 Páginas, 2003 UNSM. (Abril 2008). Lengua de Señas. Septiembre 2014, de World Federation of Deaf Sitio web: http://unsordosm.wordpress.com/wfd/ Microsoft. (2014 Microsoft). Software. 2014, de Microsoft Developer Network Sitio web: http://msdn.microsoft.com/ Microsoft. (2014 Microsoft). Base de Datos. 2014, de Microsoft Developer Network Sitio web: http://msdn.microsoft.com/ Microsoft. (2014 Microsoft). Reconocmiento de Voz. 2014, de Microsoft Developer Network Sitio web: http://msdn.microsoft.com/ Página 6 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Sistema de visión para la clasificación y seguimiento de vehı́culos en tiempo real Raúl Humberto Peña-González, Marco Aurelio Nuño-Maganda Universidad Politécnica de Victoria, Av. Nuevas Tecnologı́as 5902, Parque Cientı́fico y Tecnológico de Tamaulipas Ciudad Victoria, Tamaulipas, México Email: {1229014,mnunom}@upv.edu.mx Abstract—El poder detectar, clasificar y dar seguimiento, en tiempo real, a diferentes clases de objetos o vehı́culos que se encuentren en movimiento en un camino o calle es un elemento crucial en los sistemas de gestión o administración del tráfico, como también lo es para otras áreas de investigación. En el presente artı́culo, un sistema basado en visión computacional para la detección, conteo, seguimiento, clasificación y detección de zona de parabrisas en vehı́culos en movimiento sobre un camino es presentado. La adquisición de información del medio es a través de una cámara RGB de alta definición localizada sobre una avenida, a la altura de un puente peatonal. La detección de objetos en movimientos se logra en base a la utilización del método llamado diferencia temporal, mientras que el procesamiento de la información se realiza en base a algoritmos de agrupamiento y clasificación. Para validar la eficiencia del sistema propuesto, una serie de experimentos fueron aplicados, los cuales consistı́an en analizar un conjunto de videos del flujo vehicular de una avenida. El sistema alcanza una tasa mayor al 95% de eficiencia en la clasificación de los vehı́culos de prueba. El procesamiento de imágenes alcanzó los 30 fps con una resolución de 1280x720 pixeles. Keywords-Detección de vehiculos; Visión computacional; Diferencia temporal; Detección de parabrisas; I. I NTRODUCCI ÓN Ahora en dı́a tanto gobiernos como paı́ses requieren de un sistema que sea confiable y de bajo costo para vigilancia, control de robo de vehı́culos y automatización del tráfico. El constante incremento acelerado de vehı́culos en las calles o autopistas, como también, el aumento de congestiones viales aunado a los problemas asociados con los sistemas de monitoreo de tráfico ha motivado el desarrollo de nuevas tecnologı́as para la detección y clasificación de vehı́culos. Los sistemas basados en visión computacional son la opción más común, pero un número importante de dificultades deben ser resueltas primeramente antes de poder alcanzar una clasificación exitosa. Recientemente, los sistemas de video vigilancia y monitoreo han permitido la extracción de información crı́tica, como, la densidad del tráfico, comportamiento de los conductores, velocidad y tipos de vehı́culos. Ahora en dı́a el análisis de forma manual es inaplicable, por lo que, para la gestión del tráfico es crucial el desarrollo de sistemas inteligentes basados en visión que sean capaces de extraer la densidad del tráfico y de clasificar vehı́culos. Por otra parte, ISBN: 978-607-00-8778-3 los sistemas de video vigilancia son también importantes para las aplicaciones destinadas a la asistencia del conductor, ya que pueden detectar fatiga o distracción. En el presente artı́culo un sistema basado en visión para la detección, seguimiento, clasificación y detección de zona de parabrisas en vehı́culos en movimiento es presentado. Pueden ser identificados cuatro grupos de vehı́culos, pero el software propuesto es flexible respecto al número de grupos. El presente artı́culo se encuentra organizado de la siguiente manera: Sección 2, describe los antecedentes. Sección 3, introduce el sistema propuesto para la detección y clasificación de vehı́culos. Los resultados obtenidos y la discusión sobre estos son descritos en la sección 4. Finalmente en la sección 5, se exponen las conclusiones y el trabajo futuro. II. A NTECEDENTES Los sistemas de video vigilancia interactúan con el mundo real a través de una cámara, en una parte de la literatura, es colocada dentro de la cabina del vehı́culo para brindarle asistencia al conductor durante un número de situaciones diversas [1]–[6]. El sistema de alarma del punto ciego se basa en el método de flujo óptico y en el resultado de un robusto algoritmo de agrupamiento para detectar la presencia de un automóvil [7]. En vehı́culos inteligentes, los sistemas de visión son incluidos para desarrollar funciones complejas como lo es realizar maniobras de rebase o evasivas cuando otro automóvil es detectado en ruta de colisión [8]. En una investigación la presencia de un vehı́culo, que viene acercándose por la parte posterior, es analizada para emitir una alerta si este se encuentra en ruta de colisión con la parte trasera [9]. Por otra parte, los sistemas de video vigilancia son posicionados en puntos elevados directamente sobre el camino o avenida para extraer información como la densidad de tráfico, velocidad y tipos de vehı́culos; en resumen toda estadı́stica que sea útil para la gestión del tráfico, por lo tanto, la detección de vehı́culos que circulan por una avenida es un punto crı́tico. La detección de objetos en movimientos (vehı́culos, humanos, etc.) en un video puede ser realizada en 3 diferentes formas [10]: Diferencia temporal (Temporal difference), se basa en obtener la diferencia de las intensidades Página 7 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Figura 2: Procesos de agrupamiento. (a) ”M”. (b) Resultado del primer agrupamiento. (c) Resultado del segundo agrupamiento. (d) Zona del parabrisas. Figura 1: Bloques principales del sistema propuesto para la detección de vehı́culos. de pixel entre dos o tres imágenes consecutivas; flujo óptico (optical flow), este acercamiento hace uso de los cambios en la intesidad para la detección; y finalmente el método de substracción de fondo (backgrpund substration), en la literatura se puede encontrar dos aproximaciones, la primera consiste en obtener una imagen la cual será comparada con todas las imágenes posteriores [11], para detectar un objeto y después clasificarlo como un vehı́culo mediante una red neuronal. La segunda forma consiste en la extracción dinámica del fondo [12]. Respecto a la detección de parabrisas, un método en particular consiste en aplicar la transformada de Hough para extraer y delimitar los bordes del vehı́culo, para con ellos formar un conjunto de trapezoides que representan posibles regiones donde se encuentre el parabrisas, posteriormente para seleccionar uno se propone un método de máxima energı́a [13]. III. S ISTEMA P ROPUESTO El sistema se encuentra dividido en varias etapas: selección de región de interés (ROI), detección de objetos en movimiento, proceso de agrupamiento, seguimiento, clasificación sobre un frame y conteo; Figura 1. El primer es la adquisición de imágenes del camino, por lo que una cámara HD-RGB es situada en un punto elevado sobre el camino. Todos los frames capturados son convertidos a imágenes en escalas de grises. Para maximizar el rendimiento del algoritmo se selecciona una área de interés (ROI) dentro los frames, sobre dicha área se realiza la búsqueda de objetos en movimiento. Esta región debe de contener la zona en la cual el flujo objetivo de vehı́culos se encuentra localizado, como también la lı́nea para el conteo. Dicha selección podrá presentar cambios dependiendo el tipo de camino a vigilar. Para la detección de movimiento se aplicó el método de diferencia temporal, esta técnica consiste en obtener las diferencias de nivel de intensidad de pixel entre dos frames consecutivos, pero en el presente artı́culo la comparación no es realizada pixel a pixel. La ROI es dividida en n ISBN: 978-607-00-8778-3 segmentos cuadrados con la misma longitud k, para cada cuadrado-n se calcula su media de nivel de intensidad en escala de grises m1 ; después dicho cálculo es comparado con la media m0 obtenida del mismo cuadrado-n pero en el frame anterior. Todo cuadrado-n representa un objeto en movimiento si su media en el presente frame tiene una diferencia mayor que la obtenida en el frame previo más una tolerancia: m1 > m0 +th o m1 < m0−th. Si esta condición se cumple, dicho cuadrado-n analizado es etiquetado como ”M”, figura 2 (a). En el siguiente paso se realiza un agrupamiento de las regiones que contienen movimiento ”M”, en orden de consolidar los diferentes objetos en movimiento ”MO” dentro de la escena capturada. Ahora, todos los cuadranos-n que fueron etiquetados como ”M” y que son contiguos son fusionados para formar un Objeto Temporal n ”TOn”, un número es asignado a cada ”TOn”, figura 2 (b). Es necesario realizar otro proceso de agrupamiento, en el cual, un objeto ”TOn” es agrupado con todos sus vecinos más cercanos para formar un solo objeto, etiquetado como Objeto Refinado ”RO”, este proceso se repite para todo ”TOn”. Todos los objetos ”RO” que se sobreponen entre si, son fusionados y llamados de este punto en adelante como Objeto en Movimiento ”MO”, figura 2 (c). Los objetos ”RO” restantes son evaluados en base a su color y tamaño para decidir si pertenecen o no a un ”MO”. Cuando un x-frame ha sido analizado y todos los ”MO” dentro de dicho frame han sido consolidados, la información apropiada de estos objetos es almacenada para realizar un seguimiento en el frame consecutivo X+1. Cuando todos los ”MO” esten constituidos en el frame X+1, son verificados con los objetos del frame X que se encuentran almacenados, sı́ la información coincide, se trata del mismo objeto, pero de no ser ası́, dicho objeto ”MO” no relacionado será analizado en base a su color, posición y tamaño con la finalidad de declararlo como un nuevo objeto en la escena. A los diferentes ”MO” se les aplica un seguimiento desde que entran a la región de interés, pero solo aquellos que aparecen antes y no desaparecen de la escena hasta alcanzar la lı́nea de conteo son contabilizados, y en ese preciso momento, los objetos son clasificados de acuerdo a su tamaño, es decir, son etiquetados en base a su área; a su vez se inicia el proceso de Página 8 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Tabla I: Estadı́stica de los vehı́culos en las secuencias de video y su clasificación por tamaño hecha de forma manual Conjunto Sec 1 Sec 2 Total P 8 3 11 C 129 43 172 M 23 30 53 G 4 6 10 Total 164 82 246 detección de la zona del parabrisas. Para ello, se detecta la zona del cofre del vehćulo en base a su color y estimación de posición, a partir de este punto se infiere el lı́mite inferior del parabrisas, detectado dicho punto, se calcula el lı́mite superior, y éste se verifica analizando su color y posición. Cuando los objetos alcanzan el lı́mite inferior de la ROI son eliminados, de igual manera el proceso de seguimiento sobre ellos es detenido. Tabla II: Resultados para diferentes tipo de vehiculos Sec 1-1280x720 Sec 2-1280x720 Total P 100% 100% 100% C 95.3% 93.0% 94.7% M 82.6% 73.3% 77.3% G 100% 33.3% 60.0% T 93.9% 81.7% 89.8% Sec 1-1920x1080 Sec 2-1920x1080 Total 100% 100% 100% 96.8% 97.6% 97.0% 91.3% 86.6% 88.6% 100% 83.3% 90.0% 96.3% 92.6% 95.1% Tabla III: Tiempo de ejecucion para diferentes imagenes de entrada, tamaño de malla = 10x10 Resolución Sec 2 1280x720 Sec 2 1920x1080 Sec 1 1280x720 Sec 1 1920x1080 Tiempo de 3.72 4.08 2.92 3.26 ejecución ms ms ms ms Parabrisas (%) 52.1% 61.9% 85.0% 91.2% IV. R ESULTADOS Para el experimento propuesto, se capturaron desde un punto elevado (aprox. 6.5 metros de altura respecto al suelo) dos conjuntos de secuencias de video en las cuales se puede apreciar un flujo vehicular constante, en el primer conjunto ”Sec 1” el ángulo de la cámara respecto a la horizontal es de 45◦ , mientras en el segundo ”Sec 2” es 90◦ ; De estos conjuntos se elaboró una estadı́stica de manera manual de los automóviles que se muestran en los videos, Tabla I. Se consideraron cuatro clases de vehı́culos: pequeńo, compacto, mediano y grande. En la figura 3, se muestran algunas imágenes pertenecientes a los videos de entrada. Para los resultados mostrados en el presente artı́culo, se utilizó una cámara GoProHero 3, el cual es un dispositivo de captura en formato HD (alta definición), en resoluciones 720p (1280x720 px) o 1080p (1920x1080). La cámara utilizada cuenta con un lente gran angular que permite obtener un campo de visión extendido tanto en la dirección vertical como horizontal, además de contar con 2 modos de velocidad de captura, 30 y 60 fps. En una investigación previa [14], se determinó que el tamaño de rejilla debe de ser 10x10 con resolucion de entrada mayor o igual a 1280x720px, en la tabla II se muestran los resultados de la clasificación de vehı́culos. El desempeño de la implementación propuesta se determinó midiendo el tiempo computacional requerido para la ejecución de los operadores de visión computacional requeridos para solventar la tarea de clasificar, contar y detectar la zona de parabrisas en vehı́culos en un ordenador personal. El desempeño del sistema se obtuvo utilizando diferentes resoluciones en los videos de entrada. En la tabla III, son mostrados los diferentes tiempos de ejecución y porcentaje de precición en la detección del parabrisas. La plataforma en la cual el sistema fue probado es una PC que cuenta con un procesador Intel Centrino Duo ([email protected]), 4 GB DDR2 RAM y con Windows Vista 32-Bits como sistema operativo. La implementación fue desarrollada mediante el ISBN: 978-607-00-8778-3 lenguaje de programación C sin utilizar múltiples hilos, fue compilada con gcc, con la bandera de optimización O3 encendida, y se utilizaron las librerı́as de OpenCV 2.4. Como puede ser notado en base a los resultados reportados, tanto la resolución de entrada como el ángulo de la cámara, juegan un rol muy importante dentro de una exitosa clasificación de vehı́culos. V. C ONCLUSIONES En el presente trabajo, se presenta un sistema de alto desempeño para el monitoreo del tráfico. El sistema cuenta con la capacidad de contar el número de vehı́culos que circulan por una avenida, como también, clasificarlos y detectar la región del parabrisas. El método propuesto desarrolla la clasificación dividiendo la imagen de entrada en una malla constituida por rectángulos de tamaño N × N . Diversos experimentos fueron implementados, en los cuales se consideraron diferentes ángulos de captura y resolución de entrada. El trabajo futuro será orientado a incrementar la precisión en la clasificación de vehı́culos al probar con diferentes videos de entrada capturados bajo diversas condiciones climáticas y de iluminación, ya que la implementación de un sistema eficiente de detección y clasificación de vehı́culos basado en visión computacional es requerido para análisis más profundos y complejos como la detección de situaciones riesgosas en los caminos, como puede ser conductores “texteando” o utilizando dispositivos electrónicos, como también, el uso del cinturón de seguridad o la presencia de infantes en los asientos delanteros, entre otras. AGRADECIMIENTO El primer autor agradece al CONACYT por la beca escolar para estudios de maestrı́a No. 471007. El presente trabajo está respaldado por el CONACyT de México bajo el presupuesto de investigación No. 133637. Página 9 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k) (l) Figura 3: Cuatro imágenes extraidas de las diferentes secuencias de video utilizadas para la clasificación de vehı́culos. Frames 1 a 4 (a-d) del video 1 - Sec 1, frames 1 a 4 (e-h) del video 2 - Sec 1, frames 1 a 4 (i-l) del video 1 - Sec 2 R EFERENCES [1] G. Y. Song, K. Y. Lee, and J. W. Lee, “Vehicle detection by edge-based candidate generation and appearance-based classification,” in Intelligent Vehicles Symposium, 2008 IEEE, 2008, pp. 428–433. [2] D. Ponsa and A. 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Página 10 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Implementación en FPGA de un autómata celular para operaciones morfológicas en imágenes binarias Oswaldo Ureña Ponce, Juan J. Raygoza Panduro, Ruth Edith Raygoza P. Susana Ortega Cisneros Área de Diseño Electrónico CINVESTAV Guadalajara Guadalajara, México [email protected] Departamento de Electrónica CUCEI, Universidad de Guadalajara Guadalajara, México [email protected] Resumen— Las operaciones morfológicas son herramientas utilizadas en procesamiento de imágenes, que realizan la extracción de componentes que son de ayuda en la representación y descripción de regiones importantes (bordes, esqueletos, etc.) [1]. Los autómatas celulares son elementos matemáticos discretos, capaces de reproducir fenómenos complejos implementando reglas de evolución sencillas. En este artículo se propone el diseño e implementación de un autómata celular bidimensional, capaz de realizar operaciones morfológicas en imágenes binarias [2], desarrollado para la tarjeta de evaluación ML605 de Xilinx, con soporte PCIe para utilizarse como coprocesador de imágenes. Palabras claves— Autómata celular, procesamiento de imágenes, PCIe, FPGA.   mayores existen diversos vecindarios (Moore, Von Neumann, hexagonal, etc.). También es importante el radio de vecindario (r) que indica el número de células que formarán parte del vecindario en cada dirección. Algunos ejemplos se muestran en la Fig. 1. Los elementos en negro representan la célula analizada, mientras que los elementos en gris son las células que pertenecen al vecindario. S (Espacio de valores locales): El valor que puede tener cada célula, debe estar acotado a un número finito de valores pertenecientes al espacio S. F (función de evolución): Nos indica el siguiente estado que tendrá la célula al evolucionar dependiendo del valor del vecindario. I. INTRODUCCIÓN Los autómatas celulares (CA) son modelos matemáticos discretos, que mediante el uso de reglas de evolución son capaces de generar comportamientos complejos. Desde que fueron propuestos por John Von Neumann [3], han llamado la atención de diferentes áreas, tal es el caso del procesamiento de imágenes, donde se utilizan los autómatas celulares para realizar operaciones morfológicas, como método alternativo a los métodos clásicos. Un aspecto importante de los autómatas celulares es que las células pertenecientes al autómata celular evolucionan al mismo tiempo usando la misma regla global. Ésta cualidad puede ser aprovechada para su implementación en un dispositivo reconfigurable para procesar imágenes de forma paralela [4-5]. II. AUTÓMATA CELULAR Los autómatas celulares se componen por una 4-tupla A={D,N,S,F}[6] donde:  D (Dimensión): El autómata celular se conforma por células, acomodadas en rejillas. Las cuales pueden formar espacios de 1, 2 o más dimensiones.  N (Vecindario): Es la forma como las células interactúan entre sí. El tipo de vecindario depende de la dimensión del autómata celular; en un autómata unidimensional el vecindario es formado solo por las células que se encuentran a los costados. En dimensiones ISBN: 978-607-00-8778-3 III. EASE OF USE Von Neumann IV. EASE OF U SE Triángular Moore Hexágonal Fig. 1. Tipos de vecindarios para autómatas de 2 dimensiones. Un autómata celular se puede representar por medio de la ecuación 1: (1) Donde x indica la célula analizada [7], t el tiempo,  representa el valor del vecindario y f es el tipo de reglas a ser utilizadas, en el caso de los autómatas celulares de 2 dimensiones las reglas más utilizadas son [8]:  Reglas generales: Cada una de las células recibe un valor posicional el cual se multiplica por el valor actual de ésta y se realiza la sumatoria de los valores resultantes, como indica la ecuación 2: Página 11 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales (2) cuenta el estado del vecindario y PCIe que comunica al autómata celular con un procesador. PCIe  Reglas totalísticas: Se suman los valores de las células del vecindario, incluyendo la célula analizada, de esta manera el número de reglas totales disminuye con respecto a las reglas generales, esto es descrito en la ecuación 3: EVO_CONTROL A_WR A_RD CLK A_RD LIM_EN ST C_RST RST A_WR 9 CLK LIM_EN ST CELLULAR_AUTOMATA 9 C_RST RST C_EN EV_EN C_EN EV_EN CLK (3) R_RST R_EN R_EN  Reglas semitotalísticas: Son una variación de las reglas totalisticas, en donde la célula analizada sirve de índice junto con la sumatoria de las demás que conforman el vecindario, la ecuación 4 describe este comportamiento: DIR 14 W_EN DO DI DIR W_EN 32 32 DI DO Fig. 2. Arquitectura de Hardware propuesta (4) Las reglas de evolución también pueden ser representadas mediante el uso de una tabla, en donde a cada valor posible del vecindario se le da un valor de evolución, esto se observa en la Tabla 1. Tabla 1. Tabla de evolución para un automata celular Valor de N N-1 N-2 … 3 vecindario Valor de VN VN-1 VN-2 … V3 evolución 2 1 0 V2 V1 V0 Otra forma de representación consiste en usar un vector donde cada valor de evolución se ubica en una posición que corresponde al valor del vecindario (Ecuación 5). R=[VN,VN-1,VN-2,…,V3,V2,V1,V0] A. Módulo EVO_CONTROL El módulo EVO_CONTROL realiza el proceso de evolución del autómata celular, consta de 3 estados, espera, evo_rd y evo_wr. El estado evo_rd lee los datos de la memoria y los almacena en el autómata celular como se observa en la Fig. 3a, mientras que evo_wr escribe el valor resultante de la evolución en la memoria, esto se muestra en la Fig. 3b. Este módulo también revisa las condiciones de frontera del autómata celular, escribiendo ceros en los registros del autómata para completar los vecindarios en los bordes de la imagen. Datos de 1° línea Evolución Datos de 2°2°línea byte Datos de 3° línea Datos de 4° línea Datos de 5° línea ... ... Datos de 480° línea Suma de “0's” la 2° línea Suma de la 1° línea 0's (5) Selección de regla a III. ARQUITECTURA DE HARDWARE PROPUESTA El autómata celular propuesto hace uso de las reglas totalísticas, y los valores que pueden tener las células está limitado únicamente a valores binarios (0 y 1), tomando en cuenta esto, la sumatoria de los vecinos y la célula analizada consta de 10 valores (donde el máximo valor posible es el 9 y el mínimo 0). La arquitectura propuesta se diseñó para ser usada como un coprocesador de imágenes, por tal motivo se incluye un módulo PCIe. La arquitectura ésta compuesta por 3 bloques como se muestra en la Fig. 2. El módulo EVO_CONTROL se encarga de generar las secuencias necesarias para realizar la evolución de los datos presentes en la memoria del autómata celular, CELLULAR_AUTOMATA contiene los elementos necesarios para determinar el valor de evolución tomando en ISBN: 978-607-00-8778-3 Módulo de suma Evolución 1° linededata 1° línea Datos de 2° línea Datos de 3° línea Datos de 4° línea Datos de 5° línea ... ... Datos de 480° línea Módulo de suma Suma de la 2° línea Suma de la 1° línea 0's Selección de regla b Fig. 3. Proceso de evolución de datos en el autómata celular Página 12 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales B. Módulo CELLULAR_AUTOMATA Internamente está constituido por bloques de procesamiento de 32 bits, cada bloque contiene una memoria RAM de 32 bits de longitud y 480 bytes de profundidad, una estructura de cálculo de vecindario, un registro de almacenamiento de regla de evolución y multiplexores para seleccionar el valor de evolución de cada célula en base al valor actual del vecindario. (6) Y la distancia Hamming (H.D.) con la ecuación 7: C. Módulo PCIe Debido al alto rendimiento ofrecido por PCIe, se ha convertido en el estándar de comunicación entre periféricos internos en los sistemas de cómputo actuales [9-10]. Su rendimiento es escalable ya que se puede variar el número de líneas de comunicación (lanes) para obtener mayor o menor rendimiento según sea necesario. La versión 1 del protocolo, la cual es usada en éste trabajo, alcanza una velocidad de hasta 2.5 Gbps por cada línea de conexión [11]. En este diseño el módulo PCIe se encarga de la transferencia de datos entre una computadora anfitrión y el autómata. Para su implementación se utilizó el IP Core V1.7 incluido en la herramienta ISE 14.6 de Xilinx [12]. IV. PROCESAMIENTO DE IMÁGENES Para poder procesar la imagen, ésta debe de tener las siguientes características: ser una imagen binaria (1 bit por pixel) y tener un tamaño de 640x480 pixeles. Los pixeles deben de agruparse en conjuntos de 32 bits, que serán enviados a la memoria del autómata celular. La señal de inicio (st=1) comienza la evolución de los datos que se almacenan en memoria, para ser leídos posteriormente por el bus PCIe (7) En donde m es el ancho de la imagen, n es la longitud, x1 son los pixeles de la imagen original y x2 los pixeles de la imagen procesada. En la Fig. 4 se muestran el procesamiento del autómata celular en las operaciones de detección de bordes (Fig. 4d), dilatación de imagen (Fig. 4e) y erosión (Fig. 4f). La Fig. 4a muestra la imagen de entrada. Para verificar el funcionamiento de la regla de eliminación de ruido, se utilizó como entrada una imagen con ruido sal y pimienta (Fig. 4b), el resultado de la eliminación de ruido por el autómata celular se muestra en la Fig. 4c. a b c d e f V. EXPERIMENTACIÓN Y RESULTADO Para validar el comportamiento del autómata celular se propuso una serie de experimentos, en los cuales se tomaron cuatro operaciones morfológicas (obtenidas del toolbox de MATLAB para procesamiento de imágenes [12]) y cuatro reglas de evolución del autómata celular propuesto, que realizan la misma función, se compararon y se analizaron sus resultados. A continuación se describen las reglas de evolución:  Eliminación de ruido: Se compara la regla de evolución R=[1,1,1,1,1,0,0,0,0,0] con el filtro de mediana [13].  Detección de bordes: El método de Canny y Sobel se compara contra la regla R=[0,1,1,1,0,0,0,0,0,0] del autómata celular.  Dilatación: La técnica de dilatación morfológica con ventana de 3x3 (v=[1 1 1;1 1 1;1 1 1]) es comparada contra la regla R=[1,1,1,1,1,1,1,1,1,0].  Erosión: Haciendo uso de la erosión morfológica con ventana de 3x3 (v=[1 1 1;1 1 1;1 1 1]) se compara contra la regla R=[1,0,0,0,0,0,0,0,0,0]. Para evaluar la eficiencia, se calculó el error cuadrático medio (R.M.S.E) mediante la ecuación 6. ISBN: 978-607-00-8778-3 Fig. 4. Resultados del procesamiento de imágenes obtenidas con el autómata celular implementado en hardware En la Tabla 2 se muestran los resultados del procesamiento de imágenes del autómata celular y métodos convencionales de operaciones morfológicas. Se calculó el H.D. y R.M.S.E. para comparar los resultados obtenidos por ambos métodos. Tabla 2. Comparación de resultados de las imágenes obtenidas con diferentes técnicas y las obtenidas con el autómata celular. OPERACIÓN TÉCNICA H.D R.M.S.E. Filtro de mediana 0.06454102 0.2540 Eliminación de ruido Autómata celular 0.06454102 0.2540 Autómata celular 0.29608724 0.5441 Detección Canny 0.38278646 0.6187 de bordes Sobel 0.38279948 0.6187 Autómata celular 0.12097331 0.3478 Dilatación Ventana 3X3 0.12097331 0.3478 Autómata celular 0.13479167 0.3671 Erosión Ventana 3X3 0.13377604 0.3658 Página 13 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales La ocupación de la implementación del autómata celular se muestra en la Tabla 3. Tabla 3. Ocupación del autómata celular en la FPGA Resumen de utilización de dispositivo (Valores estimados) Utilización Lógica Número de Slice Registers Número de Slice LUTs Número de pares LUT-FF utilizadas Número de IOBs Número de bloques RAM/FIFO Número de BUFG/BUFGCTRLs Usada Disponible Utilización 3988 7975 1377 74 10 2 93120 46560 10586 240 156 32 4% 17% 13% 30% 6% 6% VI. CONCLUSIONES Se puede concluir que los autómatas celulares son capaces de realizar operaciones morfológicas debido a las características previamente citadas. Se implementaron operaciones de detección de bordes, dilatación de imagen, erosión y eliminación de ruido, con resultados validados, obtenidos mediante el cálculo del error cuadrático medio y de la distancia Hamming. Es importante a su vez mencionar, que la programación del autómata celular es simple, ya que solo necesitamos un cambio en la regla de evolución para realizar cualquiera de las operaciones morfológicas, y dado que la arquitectura en Hardware es fija, otorga una ventaja con respecto al diseño de una arquitectura individual para cada operación morfológica tratada en este artículo. Todas estas características nos permiten concluir que el autómata celular es adecuado para un módulo acelerador de procesamiento de imágenes. RECONOCIMIENTOS REFERENCIAS [1] J. a. K. A. Velten, «HIGH SPEED FPGA IMPLEMENTATION OF MULTIDIMENSIONAL BINARY MORPHOLOGICAL OPERATIONS,» Circuits and Systems, 2003. ISCAS'03. Proceedings of the 2003 International Symposium on, pp. 706-709, 2003. [2] C. a. S. C. a. H. P. Zhao, « A Cellular Automaton for Image Compression,» Natural Computation, 2008. ICNC'08. Fourth International Conference on, pp. 397-401, 2008. [3] H. 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Calles Arriaga1 , Omar Montaño Rivas2 [email protected], [email protected], [email protected] y [email protected] 1 Universidad Politécnica de Victoria, 2 Universidad Politécnica de San Luis Potosı́ Abstract—El presente trabajo propone el desarrollo de una aplicación móvil que muestre los niveles de glucosa bajo ciertos parámetros de interés para el paciente diabético y además pueda ser usado como prototipo de investigación para la mejora de los tratamientos actuales. La aplicación esta basado en un modelo matemático que describe la dinámica de la glucosa y la insulina, un modelo de absorción gástrica, un modelo de absorción subcutánea de insulina y estrategias de dosificación de insulina basada en múltiples dosis e infusiones continuas. Todo los modelos matemáticos, métodos de integración y algoritmos de control son programados en una App para plataforma Android el cual muestra mediante una gráfica el perfil del modelo del diabético. Keywords—Diabetes, Glucosa, Insulina, Android. I. I NTRODUCCI ÓN La diabetes es una enfermedad crónica muy antigua tanto como nuestra civilización, que con el paso del tiempo se han motivado a la comunidad cientı́fica a realizar investigación en esa dirección. La diabetes incapacita al organismo a utilizar adecuadamente los alimentos para la asimilación de la glucosa, que es el combustible que utilizan las células para proveer al organismo de la energı́a necesaria. Este proceso de transformar los alimentos en energı́a se llama catabolismo. Para absorber la glucosa digerida adecuadamente, el organismo necesita una sustancia llamada insulina (Federación Mexicana de Diabetes, [FMD], 2005). Los hábitos alimenticios y la vida sedentaria incrementa dicha afectación. La Meta Principal en el tratamiento es mantener los niveles de azúcar en la sangre (glicemia) lo más cerca del rango normal como sea posible (oscilan entre 60 a 90 mg /dl) durante la mayor cantidad de tiempo. En la actualidad existen tratamientos médicos y herramientas computacionales para mejorar la calidad de vida de las personas, sin embargo, las funcionalidades de las herramientas de computo son limitadas y poco fundamentadas en investigaciones cientı́fica. Las personas diabéticas deben tener el control total de su enfermedad, debido a esto no puede tener un ritmo de vida muy sedentario ya que agravarı́a su salud. Es por eso que además del cuidado personal es necesario tener aplicaciones que ayuden al paciente a entender cómo se comportarı́a su estilo de vida. Existen diferentes softwares que han sido desarrollados por investigadores como son: AIDA.- Se diseñó para ser utilizado con fines de educación / enseñanza / demostración. Dada la complejidad no es posible ISBN: 978-607-00-8778-3 para un modelo simple, para predecir con precisión el perfil de glucosa en sangre de un paciente individual. Por lo tanto el software no se puede utilizar para la planificación de la terapia. GIGISIM.- Está destinado a educar a los pacientes en el impacto que tiene el ı́ndice glucémico sobre tu terapia. Permite introducir los alimentos que se van a ingerir y al finalizar mostrar un gráfico con las variaciones de la glucosa en la sangre después de ser ingerida esta misma. GLUCOSIM.- Es un software educativo que simula la glucosa en sangre y la insulina dinámica en individuos sanos y en pacientes con diabetes tipo 1 diabetes. Para el presente trabajo se desarrollo una aplicación en Plataforma Android ya que cuenta con caracterı́stica importantes, además siendo una las plataformas predominantes en el mercado según estudios realizados por Strategy Analytics que presentaron en un informe en el segundo trimestre del 2014 con una cifra de 84.6%. Su portabilidad y accesibilidad a las aplicaciones en diferentes dispositivos hacen que la aplicación desarrollada este más al alcance de los usuarios. II. D ESARROLLO Para esta aplicación en la Plataforma Android titulada AEDMA se diseñó un diagrama de flujo (Fig. 1) para entender el comportamiento que iba tener el software y como se tenia que ir desempeñando el AEDMA, ası́ que se dividió por módulos. • Modelo de Alimentos.- Este modelo representa la tasa de absorción gástrica de glucosa al torrente sanguı́neo determinando los carbohidratos suministrados durante las 3 comidas del dı́a. • Modelo de Insulina.- Este modelo puede ser de efecto rápido (Lispro y Regular) y efecto prologando (NPH, Lento y Ultralento) para el esquema de dosificación propuesto. Su asignación de cantidad de dosis a inyectarse puede ser de forma manual o automática. • Modelo de Ejercicio.- Este modelo esta desarrollado en un rutina de ejercicio aeróbico, en el cual el usuario en la interface puede seleccionar su intensidad y la frecuencia con la que realiza esta misma. En cada apartado de estos módulos se la va pidiendo al usuario parámetros para realizar el cálculo matemático y la simulación de este mismo. El sistema de ecuaciones que se resuelve numéricamente utiliza el método de Runge-Kutta de cuarto orden. Las simulaciones pueden ser de un dı́a hasta 8 Página 15 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Fig. 1. Fig. 2. Interfaz de desarrollo de aplicación en Android. Fig. 3. Concentración de Glucosa y Ejercicio. Fig. 4. Contenido de Carbohidratos y absorción de glucosa por dı́as. Diagrama de Flujo del desarrollo de la aplicación en AEDMA. semanas; ya que entre más semanas agreguemos al software le tomará más tiempo procesar y resolver todas las ecuaciones de la aplicación. La información que puede ser manipulada por el usuario se encuentra distribuida en 4 paneles, los cuales pueden ser accedidos mediante su apartado de menu de opciones (Fig. 2). La aplicación puede ser utilizada en diversos equipos como: telefónos, tablets, computadoras, entre otros; con sistema operativo Android, de la versión 3.0 en adelante. III. R ESULTADOS En la Figura 3 podemos apreciar gráficamente los resultados obtenidos a través de la simulación de la aplicación; en esta se muestra la dinámica de la glucosa, correspondientes a las variaciones debidas a la ingesta de alimentos seleccionadas y del ejercicio realizado por el usuario. Ası́ como también en la (Fig.4) se muestra el contenido en carbohidratos, como entrada al modelo del diabético y su absorción gastrica. Con cada una de las gráficas anteriores ayudara al usuario a tener una asimilación de sus niveles de glucosa y ası́ poder tomar las medidas necesarias para regularse. ISBN: 978-607-00-8778-3 IV. C ONCLUSIONES Con el desarrollo de esta aplicación ayudará al área de investigación enfocada a diabetes a seguir trabajando en distintas plataforma para que se desarrolle una aplicación enfocada a las Página 16 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales necesidad del paciente. La aplicación puede ser utilizada como una herramienta de control. Esto es posible al desarrollar nuevas estrategias y utilizando técnicas modernas de control automático. A manera de trabajo futuro se puede pensar en algunas mejoras. Por ejemplo lograr la comunicación de las seales provenientes un dispositivo con bluetooth. Es especı́fico se puede vincular con una bomba de infusión de insulina. V. AGRADECIMIENTO José Margarito Canseco Cortinas agradece el gran apoyo otorgado por el programa de Becas CONACYT para la obtención del grado de Maestrı́a. VI. R EFERENCIAS Development of AIDA v4.3b Diabetes Simulator: Technical Upgrade to Support Incorporation of Lispro, Aspart, and Glargine Insulin Analogues (Hindawi Publishing Corporation, Journal of Electrical and Computer Engineering ,14 Noviembre 2010) Glucosim: a simulator for education on the dynamics of diabetes mellitus (Engineering in Medicine and Biology Society, 2001. Proceedings of the 23rd Annual International Conference of the IEEE ) Development of an Educational Simulator and Graphical User Interface for Diabectic Patient (2007 4th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ICEEE 2007), M. Hernández, O. Montaño, D.U.Campos and E. Palacios) Android Developer Tools (ADT) http://developer.android.com/sdk/index.html (07/05/2014) Strategy Analytics(16/08/2014)http://www.strategyanalytics .com/ default.aspx?mod=reportabstractviewer&a0=9921 ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 17 Página intencionalmente dejada en blanco. Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Filtro FIR con Procesamiento Paraleo Masivo Ramón Díaz de León Zapata Gloria del Carmen Rendón Sustaita Depto. de Eléctrica – Electrónica – Mecatrónica Instituto Tecnológico de S. L. P. San Luis Potosí, México [email protected] Depto. de Sistemas Computacionales Instituto Tecnológico de S. L. P. San Luis Potosí, México [email protected] Abstract— El cómputo paralelo masivo ha demostrado ser una técnica viable para incrementar hasta en 10 órdenes de magnitud la velocidad de cálculo y/o procesamiento de algunas etapas de algoritmos seleccionados. Una de las empresas pioneras tanto en la fabricación de hardware como en la innovación de software para el cómputo paralelo masivo es NVIDIA a través de sus tarjetas gráficas GeForce y su compilador CUDA, que lo hacen ideal para experimentar la paralelización de procesos de cálculo complejos a un costo razonable. Si bien el cómputo paralelo masivo no es exclusivo para un área particular de la ciencia, la ingeniería o la técnica, ha encontrado un segmento de desarrollo especialmente interesante en el Procesamiento Digital de Señales, ya que entre otros temas, se abarca el de los filtros digitales y particularmente aquellos basados en la técnica denominada de Respuesta Finita al Impulso (FIR), que son paralelos por su naturaleza no recursiva. Comprender, pero sobre todo aprovechar al cómputo paralelo masivo en áreas del Control Digital abre un aspecto inexplorado en nuestro Instituto y será factor de motivación tanto para alumnos como para maestros que deseen explotar esta potente tecnología. Se expone en el presente trabajo, la descripción teórica de la paralelización de un caso aplicativo para el filtro FIR pasa banda en el rango audible humano. Palabras clave—CUDA; Filtro; FIR; Procesamiento Paralelo Masivo. I. INTRODUCCIÓN La Unidad de Procesamiento de Gráficos (GPU por sus siglas en inglés) es la responsable de manipular y desplegar datos gráficos. Las recientes GPUs tienen centenares de Unidades Centrales de Procesamiento (CPU) y por tanto resultan excelentes para realizar operaciones en paralelo [1]. Cada CPU puede correr centenares de hilos (Threads) en paralelo. Aquellas tarjetas gráficas que permiten su uso no sólo para aplicaciones concretas de gráficos, sino para aplicaciones genéricas son llamadas Unidades de Procesamiento de Gráficos de Uso General (GPGPU), sin embargo las GPGPU fueron concebidas para usos gráficos y sus interfaces de programación así lo hacen evidente; hacer un programa genérico implicaba ISBN: 978-607-00-8778-3 adaptar la sintaxis y pensar en la solución que nada tenía que ver con gráficas, como si lo fuera [2]. Con la llegada de la Arquitectura Unificada de dispositivo de Cómputo (CUDA) ya no es necesario pensar en una solución genérica como si fuera una gráfica, ya que en esencia se programa en lenguaje C con algunas adiciones propias de las tarjetas gráficas que lo soportan, específicamente las de la familia GeForce de la empresa NVIDIA [3]. Los filtros digitales se han considerado por sus características de diseño en dos grandes tipos, los IIR y los FIR. Los primeros se fundamentan en una analogía directa con los filtros analógicos realimentados y por tanto son también llamados recursivos, característica que no los convierte en los idóneos para ser tratados por métodos paralelos de cálculo, aunque incluso en estos se ha notado un incremento en la velocidad de respuesta hasta 4 veces más rápidos [4]. Por otra parte los filtros FIR tienen una naturaleza eminentemente paralela y resultan los idóneos para ser tratados por el cómputo paralelo masivo, logrando incrementar la velocidad de respuesta hasta en 40 veces, lo que permitiría su aplicación en filtrados de alta velocidad, como pueden ser instrumentos ópticos o filtrado de imágenes o video en tiempo real sólo por mencionar algunas. La falta de conocimiento en este rubro hace suponer una limitante para que se utilicen técnicas que aprovechen el cómputo paralelo masivo en la solución de problemas exigentes que con los procedimientos convencionales requieren ser analógicos o que incluso sean irrealizables. Los filtros digitales con respuesta finita al impulso son considerados como la aplicación más básica del procesamiento digital de señales. Los filtros FIR pueden describirse en el dominio del tiempo como una ecuación para su señal de salida y(n): (1) Donde M es el orden del filtro, x(n) es la señal de entrada, h(k) es la respuesta finita al impulso y las condiciones iniciales a cero se asumen cuando (n - k) < 0. Página 19 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Debido a que la naturaleza de la ecuación resulta de un proceso que puede paralelizarse directamente, en CUDA existen dos posibilidades para ser implementado: Cada hilo de proceso enumera una sola salida dentro del mésimo ciclo, por ejemplo: el producto punto de los vectores del filtro h(0…m-1) y la entrada x(n-m+1…n) son multiplicados por M-hilos en paralelo y posteriormente se paraleliza la suma para calcular la salida. El valor de n se incrementa en la siguiente iteración del ciclo. Grupos de M-hilos enumeran una salida dentro del lazo de M-ésima longitud, esto es: los vectores respuesta del filtro h(0…M-1) y la entrada x(n-M+1…n) son multiplicados entre sí por M-hilos en paralelo y entonces se procede a la paralelización de la suma para calcular la salida. El valor de n se incrementa en la siguiente iteración del ciclo. Previas investigaciones han demostrado que el mejor rendimiento se logra con el primer modelo [5], por lo que será el seleccionado inicialmente en las pruebas del presente proyecto, sin descuidar procedimientos alternativos que sugieran mejoras en velocidad u optimización de código. II. DESARROLLO La radio experimentación ha proveído importantes avances en el rubro de las telecomunicaciones ya que las bandas de radiofrecuencia asignadas y su uso está reglamentado por leyes federales que exigen una licencia especial para poder operarlas. El Instituto Tecnológico de San Luis Potosí cuenta con una licencia de radio club y catedráticos con licencia para operarlo y experimentar con temas de telecomunicaciones para aplicar en la práctica cotidiana los temas teóricos que se estudian en materias como Control Digital, Telecomunicaciones, Teoría electromagnética, etc. Una de esas bandas de experimentación se ha seleccionado por su interés particular, ya que puede ser utilizada tanto diurna como nocturnamente con aproximadamente las mismas y regulares características, sin embargo se trata también de una banda que suele llamarse en el argot de la radioexperimentación como “ruidosa”, se trata de la banda de HF de 20 metros (de longitud de onda) y escogida en particular para las pruebas en la frecuencia de 14,130 MHz ya que es la frecuencia utilizada por la Red Nacional de Emergencia [6] en casos de desastres naturales o cualesquiera otras contingencias que requieran con carácter de urgente la transmisión de comunicados, por lo que la calidad de las transmisiones debe intentar garantizarse y esto puede lograrse con el apoyo del adecuado filtrado del canal de comunicación. El rango audible humano se considera entre los 20 y 20,000 Hz y de ese rango la voz humana (que es el de nuestro interés) cubre el espectro entre los 300 y 3400 Hz para aplicaciones tecnológicas como la telefonía o la voz por internet (VoIP) [7] por lo que se propone la construcción del filtro pasa banda en este rango de frecuencias y con frecuencias de corte inferior en 100 Hz y superior en 3600 Hz. La velocidad mínima teórica necesaria para poder implementar este filtro viene determinada por el tiempo de muestreo requerido para procesar señales en la frecuencia de ISBN: 978-607-00-8778-3 máximo valor, esto es en la frecuencia de los 3600 Hz, que equivaldría aproximadamente a 147 µs, sin embargo por el principio del teorema del muestreo par sistemas digitales, requerimos que el tiempo de muestreo sea por lo menos de la mitad de este valor, es decir aproximadamente 73 µs. Es pertinente señalar que este tiempo teórico no corresponde a la realidad, ya que se deben contemplar los tiempos de latencia del sistema de cómputo, así como los tiempos que toman diferentes instrucciones en ejecutarse pues es sabido que una multiplicación por ejemplo, puede tomar hasta cuatro ciclos de reloj en ejecutarse, mientras que una suma lo haría en un solo ciclo de reloj. Tomando esto en cuenta, se suele tomar un valor aún más pequeño de tiempo de muestreo, para este caso se optó por los 40 µs que es aproximadamente la mitad de este valor, con lo que aseguramos que los tiempos extras no resultrán significativos. Como podrá observarse en la tabla 2 de la sección de resultados, tanto el algoritmo serial como el paralelo son capaces de procesar el filtrado que se requiere, sin embargo el algoritmo serial se acerca mucho al valor del periodo de muestro, por lo que si se requiriera una mejoría al filtro, que se traduce en un incremento de taps, resultaría insuficiente el tiempo de procesamiento planteado. La figura 1 muestra la respuesta en frecuencia esperada del filtro diseñado, donde puede apreciarse la característica “ventana” de los filtros pasa banda. Figura 1. Respuesta en frecuencia calculada del filtro pasa banda. Obtención de los coeficientes o “taps” del filtro FIR. Para obtener los coeficientes se ha utilizado el programa DSPicFD LITE de la empresa Microchip [8], seleccionando el método de ventana cuadrada (el más simple de los métodos) como estrategia para poder ser analizado y comparado más fácilmente en las etapas posteriores del proyecto. El programa genera un total de 47 taps de los cuales un extracto se muestra en la tabla 1 con fines ilustrativos y comparativos para los lectores interesados en reproducir el presente trabajo. Página 20 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Tap # Valor del coeficiente 0 0.7629394531250000E-03 1 -.1757812500000000E-01 2 0.4577636718750000E-02 3 -.8605957031250000E-02 4 -.2304077148437500E-01 5 0.2929687500000000E-02 6 -.1986694335937500E-01 7 -.2734375000000000E-01 8 0.9460449218750000E-03 9 -.3286743164062500E-01 10 -.2947998046875000E-01 11 -.1129150390625000E-02 12 -.4776000976562500E-01 Tabla 1. Fragmento de taps calculados. Algoritmo de paralelización. Dado que el objetivo es obtener los resultados del filtrado en el momento en que la información está siendo recibida, se debe aplicar un proceso previo a los datos de descomposición en sus diferentes frecuencias individuales a través de la transformada rápida de fourier (FFT, Fast Fourier Transform), aplicar la paralelización a los datos obtenidos de la transformación previa y una vez que los cálculos de la multiplicación de cada tap ha sido obtenida, se procede a realizar la transformada inversa rápida de fourier (IFFT, Inverse Fast Fourier Transform) como lo sugieren Wefers y Berg [9] para que los datos puedan ser utilizados por la etapa de salida para su conversión digital a analógica y poderlos escuchar como sonido a través de la bocina correspondiente. La figura 3 muestra la estructura algorítmica y los procesos asociados. M y[i] = ∑ x[i * N ]* tapf [i * N ] (2) i=0 donde tapf [i * N ] es la función de taps que en este caso han sido calculados por separado y colocado los valores numéricos de sus coeficientes en una variable de tipo array (vector lineal) en el programa. Cabe mencionar que se ha dejado la ecuación (2) con la función de taps como conveniencia para un trabajo futuro en el que se pretende implementar filtros dinámicos que podrán adaptarse a condiciones cambiantes de los datos de entrada y para ello deberán recalcularse los coeficientes de la función mientras se evalúan las entradas. III. IMPLEMENTACIÓN Y PRUEBAS El listado 1 muestra el pseudo código de paralelización del filtro FIR en CUDA. k = GPUThreadID; // Índice del elemento c = channelof(k); // Número de canal n = FDLCursor; // Último valor introducido // Inicialiación del acumulador accu = 0; // Iteraciones de cada sección del filtro for i=0 to NumFilterParts-1 { // Multiplicación-adición de cada valor complejo x = FDL[line=n][element=k]; y = FilterSpectrum[channel=c, part=i]; ComplexMulAdd(src=x, src=y, dest=accu); n = (n+1) mod NumFilterParts; } // Escritura del resultado en la memoria output[k] = accu; Listado 1. Pseudo código de paralelización del filtro FIR. Las implementación del filtro se realizó en una computadora MacBook Pro 15 pulgadas (Mid 2012) con Sistema oprativo OS X Mavericks versión 10.9.3 con procesador Intel Core io7 a 2.3 GHz con 4 GB de memoria RAM a 1600 MHz DDR3, tarjeta gráfica NVIDIA GeForce GT 650M con 512 MB, CUDA C V.5.5. y compilador Objective C que forma parte del Entorno Integrado de Desarrollo Xcode de Apple v.5.1.1. La figura 4 muestra la pantalla de desarrollo del programa del filtro FIR en esta plataforma. Figura 3. Algoritmo de paralelización sugerido por Wefers y Berg [8] aplicado al proyecto. Por otra parte, la ecuación (1), no puede ser implementada directamente en un sistema computacional, y debe tomar la forma de la ecuación (2) para lograr tal fin: ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 21 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales IV. CONCLUSIONES Un filtro pasa banda con aplicación para mejorar la calidad de recepción de las telecomunicaciones en bandas de experimentación inheremente “ruidosas” (con componentes de frecuencia que dificultan la claridad de la recepción de voz) pueden ser resueltas con filtros analógicos convencionales, sin embargo, la naturaleza cambiante de esas interferencias requeriría la adición de componentes con capacidades de variación de sus parámetros (varicaps y reóstatos) que implicarían delicados y complicados ajustes con auxilio de instrumentos de medición e incluso en ocasiones el rediseño completo. Figura 4. Pantalla de desarrollo, pruebas y depuración del filtro FIR. Las pruebas de la respuesta del diseño del filtro se llevaron a cabo con el apoyo del programa DSPicWorks de la empresa Microchip, únicamente con el fin de verificar que los coeficientes de la función de los taps fueran los adecuados. Con este programa podemos generar los datos correspondientes a la simulación de una señal de audiofrecuencia en el rango en que no presenta atenuación, por ejemplo en los 1500 Hz (Gráficas superiores; la izquierda es la entrada y la derecha la salida del filtro) y una entrada con una frecuencia de 3600 Hz que debería presentar una máxima atenuación (gráficas inferiores; la izquierda representa la entrada y la derecha la salida filtrada), con lo que se verifica la correcta operación de convolución de la señal de entrada con la función de taps para posteriormente proceder a la inclusión de los coeficientes en el programa del filtro escrito en CUDA apoyados por el algoritmo del listado 1. Para fines comparativos en la ganancia en velocidad de procesamiento, se implementó una prueba de ejecución sin el algoritmo de paralelización (algoritmo serial) en la misma computadora a través del CPU. Posteriormente se realizó la misma prueba a través de la GPU con el lagoritmo de paralelización. El experimento se llevó a cabo con 47. La tabla 2 muestra los resultados obtenidos. GPU (paralelo) Tiempo 4.08 µs CPU (serial) 32.16 µs Relación CPU/GPU Este trabajo deja asentadas las bases teóricas y técnicas para la implementación de un filtro digital FIR en la banda de radioexperimentación de 20 metros (14 MHz). AGRADECIMIENTOS A PROMEP, ahora PRODEP (Programa para el Desarrollo Profesional Docente) por el beneficio otorgado a través del “Apoyo a la Incorporación de Nuevos PTC”. Los autores agradecen el apoyo financiero otorgado por el consorcio CEMIE-Solar a través del pryecto 32. 7.88 Tabla 2. Tiempos de ejecución de los algoritmos y su relación de ganancia. Tras la ejecución del algoritmo paralelo en CUDA, los datos obtenidos del proceso de filtrado (contenido de la variable output[k], ver listado 1) que se guardan en un archivo de texto, se comparan con los obtenidos por el programa DSPicWorks como método de corroboración del correcto cálculo de la salida del filtro, ya que por el momento no se ha implementado un entorno gráfico que exponga estos datos sobre la misma plataforma CUDA, situación que se deja para una etapa posterior en caso de considerarlo conveniente. Independientemente de si tratase del algoritmo serial o paralelo, los resultados deben ser y de hecho fueron los mismos, como se constata en la comparación de los archivos obtenidos con DSPicWorks y CUDA. ISBN: 978-607-00-8778-3 Con la implementación en su versión digital del mismo tipo de filtro obtenemos ventajas importantes, una de ellas la capacidad de ajuste y calibración por software sin necesidad de componentes externos, pero tal ventaja demanda una capacidad de cómputo serial muy exigente o en su defecto el sacrificio de la calidad del filtrado; afortunadamente la naturaleza inherentemente paralela del tipo de filtro digital FIR puede ser implementado en una computadora que tenga instalada una tarjeta gráfica que permita el procesamiento paralelo a través de los centenares de núcleos con los que consta y obtenemos la calidad, velocidad de procesamiento y ajustes finos que deseemos por software. Otra de las ventajas es la posibilidad de permitir cálculos adicionales, como los taps de la función de coeficientes para reajustar las características del filtro dinámicamente que serían complejas, voluminosas en dimensiones físicas y prácticamente imposibles de implementar con filtros analógicos convencionales. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Sajid Anwar et al. “Digital Signal Processing Filtering With GPU”, School of Electrical Engineering Seoul National University (2010). Jason Sanders. “CUDA by Example” Addison Wesley (2011). Tomas Mazanec, “Application of CUDA in DSP”. UTIA (2009). Lyons Richard G., “Understanding Digital Signal Processing”. Pearson Education Inc. (2011). Mark McCurry “CUDA Based Polyphase Filter”, reu program: mit haystack 2011: polyphase filter banks (2011). “Cuadro Nacional de distribución de frecuencias” IFETEL (2014). Beraneck Leo L. “Acoustics” Mc. Graw Hill (1954). Microchip Inc. www.microchip.com (2014) Wefers F. y Berg J. “high-performance real-time fir-filtering using fast convolution on graphics hardware”, Proc. of the 13th Int. Conference on Digital Audio Effects (DAFx-10), Graz, Austria, September 6-10, (2010). Página 22 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Librerı́a genérica para el control de dispositivos Coin changers y Bill acceptors utilizando el protocolo MDB y puerto serial Guadalupe de Jesus Morales Bocanegra Antonio Cortina Reyes SVAM International de México Cd. Victoria, Tamaulipas, México Email: [email protected] SVAM International de México Cd. Victoria, Tamaulipas, México Email:[email protected] Resumen—Este trabajo, pretende ofrecer una alternativa completa para desarrollar quioscos interactivos, a través de la creación de una librerı́a de clases genérica; con el uso de está se proverá la posibilidad de realizar las tareas más significativas con dispositivos Coin Changer y el Bill Acceptor, como activar y desactivar los dispositivos, habilitar monedas o billetes, recibir o rechazar diversas denominaciones de billetes, aceptar monedas y expedir cambio. Se realizó la implementación de la lógica necesaria para realizar cobros con el dispositivo y entregar el cambio correspondiente. Además, se añadieron las validaciones para habilitar o deshabilitar la aceptación de billetes de acuerdo al cambio máximo posible que las cantidades de monedas existentes permitan entregar. Palabras clave. Puerto Serial, .NET, MDB, Quioscos, Coin Changer, Bill Acceptor, Desarrollo de Software. I. la NAMA(National Automatic Merchandising Association). Este protocolo, que está presente en los CC y BA, tienen la desventaja de que los buses nativos que especifı́ca no son compatibles con ningún puerto de una computadora de propósito general. En el mercado existen interfaces que convierten datos de un bus nativo MDB al formato de un puerto serial, sin embargo, los fabricantes no cuentan con librerı́as o frameworks que faciliten el desarrollo de aplicaciones de cobranza. Tambien se pueden encontrar productos que solucionan mı́nimamente este problema, sin ofrecer un resultado definitivo, dado que requieren de la programación incluso de tareas básicas de cobranza. La intención de este trabajo es eliminar ese sesgo con el desarrollo de una librerı́a que contemple, tanto el problema de comunicación con los dispositivos, como la implementación de la lógica de cobranza. I NTRODUCI ÓN El uso de quioscos interactivos ha crecido en los últimos años en México como un auxiliar en tareas simples y repetitivas, por ejemplo; (1) consultar información básica, (2) realizar pagos de servicios, o (3) confirmar reservaciones de vuelos u hoteles. Los elementos básicos para conformar un quiosco son: (1) componente(s) para aceptar entrada de información, (2) componente(s) para producir una salida o retroalimentación, y (3) componente(s) para proceso de una transacción. En particular, este trabajo aborda una problemática presente en el desarrollo de quioscos usados para realizar pagos de servicios. El objetivo que se persigue es facilitar la comunicación, desde una computadora, con dispositivos Coin changer(CC) y Bill acceptor(BA). Estos dispositivos son indispensables en el proceso de cobranza y, a la vez, los que representan un reto mayor en la etapa de desarrollo, dado que son fabricados para recibir instrucciones de muy bajo nivel, por lo tanto, no es sencillo controlarlos con una computadora de propósito general. Se buscará además implementar la programación de la lógica de cobranza en moneda mexicana. Existe un protocolo de comunicación, que permite a los CC o BA ser controlados por una entidad que se denomina VMC(Vending Machine Controller), llamado MDB/ICP (Multi-Drop Bus/Internal Communication Protocol) creado por ISBN: 978-607-00-8778-3 II. E STADO DEL A RTE En la industria pueden ser encontrados varios tipos de dispositivos que permiten asistir en las tareas de interaccion con monedas y billetes, la mayora de ellos implementan el protocólo de comunicación MDB. Se cuenta ademas con fabricantes de interfaces conversoras de seales MDB a puerto serial RS-323. II-A. Tipos de dispositivos de cobranza Existen 3 clasificaciones diferentes de dispositivos que permiten interactuar con monedas: Coin Acceptors: Solamente reciben monedas, una vez que se llenan los tubos contenedores, necesitan que se vacı́en manualmente. Coin Expenders: Expenden monedas a manera de cambio, necesitan que manualmente se llenen los tubos de cambio. Coin Changers: Reciben monedas y expenden cambio, cuenta la caracteristica de que las monedas que recibe también se reciclan para darlas de cambio. Envı́an monedas a una alcancia en el caso de que los tubos estan llenos. De los 3 dispositivos mencionados anteriormente, el último es el que cuenta con mas caracterı́sticas y ha desplazado a los Página 23 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Tabla I. F ORMATO DE B ITS Descripción No. de Bits Tabla II. Nombre del comando P RINCIPALES C OMANDOS MDB 1.0 Código Nombre del Comando Código Star Bit 1 Get Status 0x01 BA expenasion command 0x09 Data Bits 8 Reset BA 0x02 Reset CC 0x0A Mode Bit 1 Get BA setup status 0x03 Get CC setup status 0x0B Stop Bit 1 Enable/Disable BA 0x04 Enable/Disable CC 0x0C Accept Bill 0x05 Get CC Tube Status 0x0D Return Bill 0x06 CC change command 0x0E Get Stack Info 0x07 CC expansion command 0x0F BA security comman 0x08 Figura 1. Pin molex 39-01-2060. anteriores. Entre los dispositivos para interactuar con billetes podemos encontrar: Bill Acceptors: Solo aceptan y almacenan billetes. Bill Expender: Expende billetes a manera de cambio, manualmente se introducen billetes clasificados según su denominación. II-B. El protocolo MDB permite controlar dispositivos en dos modos; (1) Maestro-Esclavo y (2) Esclavo-Maestro, siendo el maestro una computadora de propósito general, un dispositivo PLC, dispositivo reprogramable, o cualquier unidad de cómputo seleccionada, y el esclavo, uno o más dispositivos periféricos [2], [3]. 1) Maestro-Esclavo: El maestro debe ”preguntar”por actividad, tı́picamente cada 100-300 ms. El dispositivo responderá con .Acknowledge”(ACK), ”Negartive Acknowledge”(NAK) o los datos especı́ficos de la actividad registrada al momento. 2) Esclavo-Maestro: El maestro recibe transmisiones de parte del periférico. El dispositivo puede enviar un bloque de datos de hasta 36 bytes con un Çhecksum.o CHK, un ACK, o NAK. MDB define un bus de comunicación de 11 bits, en la tabla 1 se puede apreciar el formato que se le da a tales bits. El baund rate utilizado es de 9600 bps. El protocolo define el uso del conector de 6 pines de molex 39-01-2060 como el que se aprecia en la figura 1. Existen múltiples versiones del protocolo MDB, la primera de ellas, la versión 1.0, fué publicada el 19 de Octubre de 1993. Esta primer versión tubo una revisión en 1994 y dos mas en el 1997. Cada versión del protocolo introduce mejoras y define su propio conjunto de instrucciones soportadas. Algunas de las instrucciones mas utilizadas en el protocolo MDB 1.0 se observan en la tabla 2 [3]. II-C. rial) Figura 2. (a)CC Guardian 6000XL, (b) Vantage, (c)Converso MDB-RS232 Protocolo MDB Interface convertidora de MDB a RS-232 (puerto se- El protocolo RS-232 usado para el puerto serial de la computadora no es compatible con el protocolo MDB por ISBN: 978-607-00-8778-3 varias razones como el voltaje que utilizaon o por el formato de bits que definen. Por esta razón existen interfaces que, mediante microprocesadores, convierten las transmisiones del puerto RS-232 a MDB. Una interfaz convertidora de este tipo permitirá que, cualquier dispositivo con puerto serial, sea capaz de tomar el papel de maestro y, por lo tanto, poder controlar CC o BA. III. III-A. M ATERIALES Y M ÉTODOS Dispositivos utilizados Para efectos de desarrollo y pruebas de la librerı́a diseñada se utilizaron dispositivos CC y BA de la marca Coinco. El CC utilizado fué un CC Guardian 6000XL (figura 2.a) con 6 tubos removibles, 2 reciben monedas de $10, y cada uno de los 4 restantes reciben monedas de $5, $2, $1, $0.50. Los tubos tiene capacidad de almacenar hasta 100 monedas [4]. Se utilizó un BA Vantage (figura 2.b) con capacidad de recibir y almacenar billetes de $20, $50, $100, $200 y $500 [5]. La interfaz conversora de MDB a puerto serial utilizada fué marca Waferstar modelo MDB-RS232, con capacidad de conectarse con dispositivos CC, BA y lectores de targetas. III-B. Plataforma de desarrollo La librerı́a se desarrolló en la plataforma .NET, en su versión 4.0, obteniendo con esto compatibilidad en todos los sistemas operativos windows en los que exista una instalación de esta plataforma. Se utilizó C# para generar un proyecto de tipo librerı́a de clases. Esta librerı́a puede ser utilizada en aplicaciones de escritorio desarrolladas en la tecnologı́a Windows Forms o WPF, las cuales, son usadas con gran frecuencia en el desarrollo de quioscos interactivos. Se utilizó una clase de alto nivel, presente en el framework de .NET, llamada SerialPort, que permite escribir datos por puerto serial. Se Página 24 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales hizo uso además de un concepto llamado Bindig, explotable en WPF, que permite que las propiedades de un objeto sean actualizadas en controles de formularios, logrando ası́ facilitar el monitoreo del estado de la librerı́a. Para fines de desarrollo y pruebas se utilizó una computadora DELL Optiplex 9010, con procesador Core i5 a 3.3 Ghz, 4 GB de RAM y un puerto serial nativo. III-C. Algoritmos utilizados El algoritmo 1 muestra la monitorización del cobro, la cual comienza con la inicialización de los dispositivos, a partir de este punto inicia la recepción de dinero y la actualización constante en las denominaciones permitidas de billetes. Las denominaciones de billetes aceptados son determinadas en funció del cambio que puede ser entregado, el cual a su vez depende de las monedas encontradas en el CC. Para salir de este ciclo, la condición indica que, se debe de superar o igualar la cantidad de cobro, después, se procede a verificar si existe cambio. De ser cierto, se realiza el cálculo del cambio (proceso explicado a detalle en el algoritmo 2), se regresa el cambio, por último se realiza la actualización de las variables que contienen las cantidades de monedas y billetes disponibles en el CC o BA. Algoritmo 1 Monitarizacion de cobro Entrada: Cobro Salida: Nulo 1: InicializarDispositivos() 2: mientras MontoIngresado < Cobro hacer 3: RecepcionDeDinero(); 4: ActualizarDenominaciones(CambioDisponible); 5: fin mientras 6: Cambio = MontoIngresado - Cobro; 7: si (Cambio> 0) entonces 8: CalcularCambio(); 9: DarCambio(res); 10: ActualizarDatos(res); 11: fin si 12: ActualizacionTotalDatos(); El problema de cambio de monedas es un problema común en la teorı́a de la complejidad computacional, para la solución de este problema se optó por implementar un algoritmo voraz, el cual tiene como objetivo regresar el cambio utilizando la menor cantidad de monedas posibles. De no ser posible obtener una solución con las monedas disponibles, se regresará el dinero que se haya ingresado. Un algoritmo voraz nunca reconsidera su decisión sea cual fuera la situación que pueda surgir más adelante. No hay necesidad de evaluar alternativas, ni de emplear sofisticados procedimientos de seguimientos que permitan deshacer las decisiones anteriores [1]. Como se puede observar en el algoritmo 2, existen 3 casos posibles los cuales surgen a partir de la comparación siguiente; si el cambio es mayor a la cantidad que existe: a) Se revisa que cada una de las denominaciones tenga monedas, que el cambio sea superior a la denominación de la moneda que se esté revisando y que existen ISBN: 978-607-00-8778-3 b) c) las suficientes monedas para de esa denominación, de ser ası́ realiza la asignación de cuantas monedas necesita para esa solución (lı́neas 4 -10). Indica que no hay una combinación de monedas existentes la cual pueda abarcar una solución, de ser ası́, se procede a igualar la solución de cambio por el regreso del monto ingresado (lı́neas 11-17). Nos indican que la cantidad a dar de cambio supera a las monedas que se encuentran en el Coin Changer y de esta manera también se procede a regresar la cantidad ingresada (lı́neas 24-29). Algoritmo 2 Algoritmo de Calculo de cambio Entrada: Cobro, CantIngresada Salida: VecCambio[] 1: CambioOriginal = Cambio; 2: si Cambio ≥ CantMonedas entonces 3: mientras Cambio>0.0 hacer 4: si CantMonedas>0&& Cambio≥Denom&& SumAllCoin(Denom, Cambio) entonces 5: VecCambio[Denom] =((Cambio (Cambio % Denom)) / Denom); 6: si VecCambio[Denom] > CantMonedas entonces 7: VecCambio[Denom] = CantMonedas 8: fin si 9: Cambio = Cambio - (VecCambio[Denom] * Denom); 10: fin si 11: si (CambioOriginal == Cambio) entonces 12: mientras (CantIngresada > 0.0) hacer 13: si CantMonedas>0&&CantIngresada≥Denom) entonces 14: VecCambio[Denom] = CantMonedas; 15: CantIngresada = CantIngresada - (VecCambio[Denom] * Denom); 16: fin si 17: fin mientras 18: break 19: si no 20: CambioOriginal=Cambio 21: fin si 22: fin mientras 23: si no 24: mientras (CantIngresada > 0.0) hacer 25: si (( CantMonedas)>0&&CantIngresada≥Denom) entonces 26: VecCambio[Denom]] =((CantIngresada (CantIngresada % Denom)) / Denom); 27: CantIngresada = CantIngresada - (VecCambio[Denom] * Denom); 28: fin si 29: fin mientras 30: fin si 31: devolver V ecCambio[] IV. R ESULTADOS Despues de la implementación de la los algoritmos mencionados anteriormente, se obtuvo como resultado final una librerı́a dinámica. Para probar la funcionalidad de dicha librerı́a se implementaron dos proyectos de prueba, uno de ellos Página 25 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales V. C ONCLUSI ÓN Con el producto de esta investigación se pudo conseguir el objetivo de generar una librerı́a genérica que facilite el desarrollo de aplicaciones de quioscos interactivos de pago de servicios. Independientemente del giro de la aplicación a desarrollar, se podrán utilizar las clases encontradas en la librerı́a. Figura 3. Programa Demo. Como trabajo a futuro se planea implementar algunas mejoras, como el poder trabajar con un dispositivo por separado, la integracin de un dispositivo dispensador de billetes y un lector de tarjetas como medio alternativo de pago e implementar un mecanismo de seguridad basado en hardware para evitar el uso no autorizado de la librerı́a. R EFERENCIAS [1] [2] [3] Figura 4. Prueba de concepto. para examinar el funcionamiento de todos los métodos y propiedades con las que cuenta, y una prueba de concepto para un quiosco interactivo para un sistema de transporte público, que permitirá recargas de crédito. El primero de ellos (figura 3), muestra en una ventana todas las propiedades de la clase principal, asi como el estado del cobro que está en progreso. El segundo proyecto muestra una interfaz sencilla (figura 4), tal como sera para un quiosco interactivo, donde se debe elegir la cantidad que se desea abonar a un sistema de prepago de transporte. [4] [5] Solarte Martı́nez, G. R., y Muoz Guerrero, L. E. (2007). Algoritmos Voraces. Scientia. E. V. M. M. A. National Automatic Merchandising Association, European Vending Association, Multi-Drop Bus / Internal Communication Protocol. National Automatic Merchandising Association, 20 N. Wacker Drive, Suite 3500 Chicago, Illinois 60606-3120 USA, Mar.-Mar. 2003. L. Shanghai Wafer Microelectronics Co., MDB Coin Changer and MDB Bill Acceptor to RS-232 Interface. Coin Acceptors, Inc., Room.803,Building1,1389,DongXiu Road,Shanghai,China, Mar.- Mar. 2008. C. Acceptors, Operation and Service Manual Guardian 6000 XL. Coin Acceptors, Inc., 300 Hunter Avenue St. Louis, MO 63124-2013, MayMay 2008. C. Acceptors, Operation and Service Manual Vantage. Coin Acceptors, Inc., 300 Hunter Avenue St. Louis, MO 63124-2013, May-May 2008. En ambos proyectos la librerı́a pudo se utilizada realizando los siguientes pasos: a) b) c) d) e) f) g) Agregar la librerı́a a la lista de referencias del proyecto de visual studio. Agregar el namespace a el archivo donde se utilizará. Instanciar la clase creada. Llamar al método para inicializar los dispositivos. Llamar al método para activar las denominaciones de monedas o billetes deseadas. Asignar a la propiedad pago el monto a cobrar. Llamar al método cobrar, esperar a que finalice el cobro, y se regrese el cambio si es el caso. Es importante mencionar que las pruebas realizadas con las aplicaciones mencionadas fueron exitosas cuando se utilizó el puerto serial nativo de la computadora de prueba. Al intentar suplir un puerto serial nativo por un conversor de usb a puerto serial, se presentó un problema de sincronizacion de los bytes enviados y los bytes recibidos. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 26 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Combinación de software de obtención de imágenes de ultrasonido con librerías Wavelet para el realce de bordes en la imagen. Heber Eduardo Arango Contreras1 y Rubén Machucho Cadena2 Universidad Politécnica de Victoria Cd. Victoria, Tamps., México [email protected] [email protected] Abstract— El siguiente artículo muestra la elaboración de un software para obtener y mejorar imágenes médicas de ultrasonido por medio del realce de bordes, este software se realizó con la sonda de ultrasonido portátil Interson Seemore 995901 y su SDK, librerías de la transformada wavelet con licencia GNU y librerías de OpenCV. El software obtiene imágenes directamente de la sonda de ultrasonido y descompone la imagen original en diferentes subimágenes donde se muestran los detalles horizontal, vertical y diagonal, de cada uno de los niveles de descomposición deseados, estos detalles son tratados por la misma librería Wavelet para realzar los bordes de la imagen, la imagen final es generada a partir de estas sub-imágenes tratadas mediante un proceso llamado síntesis de la Transformada Rápida de Wavelet, la imagen final muestra los bordes más realzados y por lo tanto más fácil de apreciar que la imagen original. Keywords— software; imágenes de ultrasonido; wavelet; realce de bordes. I. INTRODUCCIÓN La obtención de imágenes por ultrasonido representa un método sumamente usado por los médicos para el diagnóstico de enfermedades ya que es un método no invasivo, disponible en casi todos los niveles de salud, seguro, de bajo costo, el cual no utiliza radiación ionizante la cual puede ser dañina en ciertas dosis de exposición como en las imágenes de rayos X y de Tomografía Computarizada, por lo que se puede utilizar en cualquier tipo de personas incluidas mujeres en periodo de embarazo. Por otra parte, la calidad de estas imágenes es afectada por factores inherentes al proceso de obtención de imágenes e incluso ajenos a él, por ejemplo: distintos tipos de ruido en la imagen, bajo contraste, resolución pobre, estado físico de los equipos y de las instalaciones, forma del cuerpo del paciente, entre otros [1] [2] [3] [4]. Existen diversos métodos que permiten mejorar la calidad de las imágenes médicas de ultrasonido, estos métodos se dividen en dos grandes categorías [5] [6] [7]: • • Dentro de las técnicas en el dominio espacial tenemos a Jagatheeswari que muestra en [7] un método basado en tres pasos principales: el estiramiento del contraste en la imagen original, seguido de la ecualización del histograma con Mínimum Mean Brightness Error Bi-Histogram Equalization (MMBEBHE) de la imagen estirada, y finalmente aplicando un filtrado de mediana. Los resultados muestran que este método funciona bien para mejorar imágenes en tiempo real. Lakshmi en [8] combinó los algoritmos genéticos con técnicas de segmentación, extracción de características, clasificación y generación de imágenes, además aplicó un filtro morfológico para afinar los bordes detectados mejorando así el contraste de la imagen. Dentro de las técnicas en el dominio de la frecuencia encontramos a Bhardwaj, que en [9] creó un método que descompone una imagen con la trasformada de Haar, después la descompuso a su vez, en sub imágenes de alta frecuencia y redujo el ruido mediante un umbralizado suave, mientras que los coeficientes de alta frecuencia se realzaron, por ultimo obtuvo la imagen mejorada mediante la transformada inversa de Haar. Veni en [10] utiliza la Transformada Discreta de Wavelet, y la transformada de Gabor en rejillas hexagonales muestreadas de la imagen, el resultado muestra que el método es más rápido que utilizando rejillas cuadradas además de obtener una mejor calidad de imagen. Rizi en [11] hace una comparación entre 5 distintos métodos de eliminación ruido y mejoramiento de imágenes médicas mediante Wavelets: Dual Tree Wavelet Transform, Dual Tree Complex Wavelet Transform, Contourlet, Ridgelet, Curvelet y concluye que la utilización de Curvelets es más efectiva para la eliminación de ruido. Contar con imágenes de ultrasonido de buena calidad contribuye a facilitar que los médicos ofrezcan un diagnóstico acertado, por lo que en este artículo se describe la elaboración de un software para realzar las imágenes de la sonda Interson Seemore 99-5901 con ayuda de la Transformada Rápida de Wavelet y librerías de OpenCV. Técnicas en el dominio espacial. Técnicas en el dominio de la frecuencia. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 27 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales reconstrucción denominado Síntesis Wavelet. Este proceso se lleva a cabo con la IDWT. II. EL ANÁLISIS CON WAVELETS A. La Transformada Wavelet C. DWT en 2D y análisis multiresolución La Transformada Wavelet (WT por sus siglas en inglés) traslada una señal del dominio espacial al dominio de la frecuencia mediante el uso de un grupo infinito de funciones base con energía finita, llamadas Wavelets. Las Wavelets son familias de funciones que se encuentran definidas en el espacio y se emplean como funciones de análisis, examinando la señal de interés en el dominio tiempofrecuencia para obtener sus características periódicas y no periódicas [12]. Una familia de Wavelets se define por la ecuación (1). (1) Cada uno de los componentes de la familia se genera a partir de la Wavelet Madre ψ(t), a través de las variables de escala (a) que permite hacer dilataciones y contracciones de la señal, y la traslación (b), que se encarga de mover la señal en el tiempo [12]. La DWT 2D (bidimensional), se obtiene aplicando la DWT común en cada fila y columna de la matriz de la función de la señal a analizar. La DWT 2D es aplicada a imágenes proporcionando una matriz de coeficientes, conocidos como coeficientes wavelet [14]. El análisis multiresolución (MRA por sus siglas en inglés) o algoritmo piramidal analiza la señal para diferentes frecuencias con diferentes resoluciones. En cada nivel, son obtenidas cuatro bandas de datos o tipos de coeficientes: aproximaciones o banda LL (bajo-bajo), detalles horizontales o banda HL (alta-baja), detalles verticales o banda LH (bajo-alto) y detalles diagonales o banda HH (alto alto) [15]. La aproximación o banda LL es la que conserva la mayor parte de la energía total, es decir, la información que puede ser apreciada más fácilmente, por lo que se puede descomponer una vez más de la misma manera, produciendo de este modo incluso más sub-bandas. Esto se puede realizar hasta alcanzar el nivel deseado, lo que resulta en una descomposición piramidal (Figura 1). B. La Transformada de Wavelet Discreta La DWT, como su nombre lo dice, se basa en la discretización de los parámetros de escala y de tiempo de la Transformada Continua de Wavelet, lo que facilita la implementación práctica del Análisis Wavelet, mejorando el tiempo de procesamiento de datos, sin descuidar la calidad de la información que proporciona [13]. Cabe mencionar que la DWT es reversible, es decir, es posible recuperar la señal original a partir de los coeficientes de escala y posición mediante la Transformada Discreta Wavelet Inversa (IDWT por sus siglas en inglés), la DWT y la IDWT pueden obtenerse mediante las ecuaciones 2 y 3 respectivamente. (2) (3) Figura 1. Descomposición piramidal de 3 niveles. D. La Transformada Rapida de Wavelet Debido a que la DWT utiliza muchos recursos computacionales, lo cual representa una inversión de tiempo considerable y debido a las necesidades de procesamiento de señales e imágenes en tiempo real, el matemático francés Mallat creó en 1988 un algoritmo rápido para la descomposición y reconstrucción wavelet: la llamada Transformada Rápida de Wavelet (FWT por sus siglas en inglés) [15]. El algoritmo de Mallat para la DWT es un esquema clásico en el campo de procesamiento de señales, conocido como codificador de sub-banda de dos canales. El algoritmo de la FWT puede observarse en el Algoritmo 1. Para muchas señales la información más importante se encuentra en las frecuencias bajas, mientras que en las altas frecuencias se encuentran los detalles de la señal. Al aplicar la DWT se puede descomponer la señal en aproximaciones y detalles, a éste proceso se le conoce con el nombre de Análisis Wavelet. Por el contrario cuando se desea obtener la señal original a partir de detalles y aproximaciones existe un proceso de ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 28 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales RAM y cuenta con el sistema operativo Windows 7 Ultimate de 64 bits. B. Phantom de pruebas En el campo de las imágenes médicas, el phantom de pruebas es un objeto de diseño especial que es escaneado, digitalizado o fotografiado para evaluar, analizar y ajustar el rendimiento de varios dispositivos de imágenes. Algoritmo 1. Algoritmo de la FWT. Por el contrario para reconstruir una señal a partir de sus detalles y aproximaciones se utiliza la IFWT representada por el Algoritmo 2. Para este trabajo el phantom fue construido basado en los modelos anatómicos de algunos órganos como el estómago y el hígado y haciendo moldes de caucho de silicón (Figura 3) ya que este material permite el rebote de las ondas de ultrasonido cuando es sumergido en un medio acuoso, permitiendo así formar las imágenes. Figura 3. Phantom de pruebas (réplicas de órganos). C. Implementacion del Software Algoritmo 2. Algoritmo de la IFWT. III. MATERIALES Y MÉTODO A. Equipo utilizado En la realización de esta investigación y teniendo en cuenta la portabilidad y conectividad que tiene, se utilizó la sonda de ultrasonido Interson Seemore 99-5901 (Figura 2). Debido a que el software original que emplea la sonda (con el que trabajan normalmente los médicos usuarios) tiene una licencia de software de código cerrado, se obtuvo el kit de desarrollo de software de la compañía (SDK por sus siglas en inglés) para crear aplicaciones que nos permitieran conectarnos directamente con la sonda y así obtener información. La aplicación para obtener imágenes directamente de la sonda fue diseñada en el entorno MS Visual Studio 2010 bajo el lenguaje de programación C# (Figura 4). Figura 2. Sonda de ultrasonido utilizada en la investigación. Esta sonda cuenta con conexión USB, opera a 3.5MHz., tiene un ángulo de escaneo de 90°, un rango de profundidad de 4 cm a 20 cm y obtiene imágenes de 12 a 15 fps. Para el desarrollo del software se utilizó una computadora portátil de la marca Compaq Presario CQ43, la cual cuenta con un procesador AMD E-300 de 1.3 GHz., 8 GB de memoria ISBN: 978-607-00-8778-3 Figura 4. GUI de obtención de imágenes desde la sonda. Basándose en librerías Wavelet encontradas en la red con licencia de código libre, las cuales implementan computacionalmente los algoritmos de la FWT y la IFWT en lenguaje C++, se adaptó este código para que una vez obtenida la imagen directamente de la sonda se descompusiera mediante Página 29 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales el análisis wavelet obteniendo los detalles horizontales (HL), verticales (LH) y diagonales (HH), en dos niveles de descomposición (Figura 5). detalles encontrados en cada uno de ellos para buscar características que nos indiquen si el pixel representa un borde o textura del objeto en la imagen. Figura 5. Detalles generados por el análisis con la FWT (izquierda), Detalles modificados para una mejor visualización (derecha). Después se aplicó una etapa de realce de bordes, que como su nombre lo dice, su objetivo era destacar los contornos de los órganos detectados por la sonda. Eligiendo los detalles horizontales, verticales y diagonales del primer nivel de descomposición se obtuvieron imágenes de posibles aristas de cada uno de las tres orientaciones antes mencionadas (Figura 6). Figura 7. Resultados de la aplicación, imágenes originales (izquierda), imágenes realzadas (derecha). REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] Figura 6. Imágenes de posibles aristas: horizontales (abajo izquierda), verticales (arriba derecha), diagonales (abajo derecha). [7] [8] Una vez hecho esto, se obtuvieron y guardaron las posiciones (x,y) de los pixeles que representaban una arista en las tres orientaciones. En la imagen original se amplificaron los niveles RGB de los pixeles de las posiciones (x,y) previamente almacenadas, amplificar el valor de los pixeles aristas significa multiplicar cada uno de los canales rojo, verde y azul por un valor 1.X. [9] [10] [11] IV. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Al observar las imágenes resultantes después de aplicar nuestro método, se observa levemente un realce en los bordes, líneas y texturas que hay dentro de la escena (Figura 7). [12] [13] Podemos concluir que analizar una imagen con la FWT y obtener sus detalles ayuda a encontrar bordes en la imagen los cuales pueden ser realzados por medios computacionales. [14] Por otra parte, debido a que la FWT ofrece múltiples niveles de análisis, es posible hacer combinaciones de los [15] ISBN: 978-607-00-8778-3 I. García Fenoll, Aportaciones a la Segmentación y Caracterización de Imágenes Médicas 3D, Sevilla, España, 2010. U.S. Food and Drug Administration, «Medical Imaging,» 2013. [En línea]. Available: http://www.fda.gov/RadiationEmittingProducts/RadiationEmittingProdu ctsandProcedures/MedicalImaging/. [Último acceso: Septiembre 2013]. W. R. Hendee y E. . R. Ritenour, MEDICAL IMAGING PHYSICS, Nueva York, E.U.A.: Wiley-Liss, 2002. R. 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Página 30 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Sintetizador de Fourier Antonio Salvá Calleja Luis Antonio Altamirano Yépez Víctor Manuel Sánchez Esquivel División de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, UNAM Distrito Federal, México [email protected] División de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, UNAM Distrito Federal, México [email protected] División de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, UNAM Distrito Federal, México [email protected] Resumen—En el plan de estudios de la ingeniería el análisis de sistemas lineales e invariantes en el tiempo, tiene un carácter trascendental. Las técnicas relacionadas con tal análisis son simples, eficaces y elegantes. Gran parte del análisis de Fourier, y en particular la Serie Trigonométrica de Fourier está íntimamente relacionado con el estudio de los sistemas lineales e invariantes. El propósito de este trabajo es presentar un prototipo denominado Sintetizador de Fourier para Auxilio Didáctico (SFAD), el cual puede usarse como herramienta de apoyo que facilite al estudiante la comprensión de conceptos asociados con las características inmanentes de la serie. Para la construcción del SFAD se empleó una tarjeta para desarrollo basada en el MCU MC9S08GT60 de Freescale, denominada MINICON_08GT. Para fines del SFAD, un puerto binario de la tarjeta está ligado con un convertidor digital analógico, siendo la salida de éste la propia del SFAD. El software de base ejecutable en el MCU de la tarjeta se desarrolló empleando para ello al compilador cruzado MINIBAS8A. La tarjeta MINICON_08GT y el compilador cruzado MINIBAS8A se desarrollaron en el Departamento de Control y Robótica de la Facultad de Ingeniería de la UNAM [1]. Con este dispositivo funcionando de esta manera en particular, se pueden comprender y comprobar aspectos teóricos y prácticos tales como: convergencia de la serie trigonométrica de Fourier, y el fenómeno de Gibbs para funciones discontinuas, entre otros. Las señales que se pueden generan por medio del sintetizador, son prácticamente todas las que se encuentran en cualquier laboratorio de señales aunque de frecuencia no muy alta. Los autores de este trabajo, convencidos de que el análisis de Fourier constituye una parte esencial del conocimiento fundamental de los ingenieros, científicos y matemáticos, consideramos que este auxiliar didáctico coadyuvará al estudiante a complementar su estudio de aspectos fundamentales de este tema. I. En el año de 1822, Jean Baptiste Joseph Fourier (17681830) publicó su trabajo revolucionario Théorie analytique de la chaleur, trabajo que versa sobre la descomposición de funciones periódicas en series trigonométricas convergentes denominadas Series de Fourier. Este trabajo constituye un punto de inflexión en el campo de la matemática aplicada a la física y la matemática pura en el siglo XIX y aún hoy en día continúa siendo una técnica vigente en el mundo académico, de la ciencia y de la ingeniería. En ese trabajo, Fourier demuestra que una función arbitraria f(x), si ésta satisface ciertas condiciones (condiciones de Dirichlet (1805-1859)) [5], a saber: La función f(x) es integrable a lo largo de [-π, π]. La integral de las sumas infinitas es idéntica a la suma infinita de las integrales, puede expresarse como una serie infinita en el intervalo [-π, π], esto es: f ( x)  a0    (an Cos(nx)  bk Sen(nx)).....(1) 2 k 1 Donde: a0  an  bn  Palabras Clave—Análisis de Fourier; Síntesis de Señales; Sistemas y Señales; Minicon Minibas y AIDA08; Aplicaciones de Microcontroladores. ISBN: 978-607-00-8778-3 INTRODUCCIÓN 1  1  1     f ( x)dx.....(2)    f ( x)Cos(nx)dx.....(3)    f ( x)Sen(nx)dx.....(4)  Cabe mencionar que Daniel Bernoulli (1700-1782), fue quien originalmente sugirió representar una función mediante una sucesión infinita, al desarrollar el análisis matemático sobre la vibración de las cuerdas musicales. Página 31 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Fig. 1. SFAD ligado a su consola de interfaz. II. f0  DESARROLLO El SFAD está integrado por la tarjeta MINICON_08GT y un convertidor digital analógico (DAC) de 8 bits ligado a un puerto de salida binario del MCU presente en la tarjeta. La salida del DAC es la salida del SFAD. En la figura 1 se muestra un esquema simplificado del SFAD junto con la consola de interfaz (CI) de éste. La CI es simplemente un software de emulación de terminal que corre en una computadora de tipo PC. Para validar la funcionalidad del SFAD, en el MCU de la tarjeta corre un programa denominado Software de Base del SFAD (SBSFAD). Al ejecutarse éste, se pide al usuario la siguiente información: 500000 nmp …………… (6) Por ejemplo, si el NMP fuera 500, f0 sería 1000 Hz. Cabe señalar que la señal generada por el SFAD es normalizada de modo que ésta siempre será bipolar con un valor pico a pico (Vpp) de 20 Volts. Es por esto que en la ecuación (5) no aparece la componente de directa. Si se requiriera que la señal presente una componente de directa; o bien, un valor Vpp diferentes de los que corresponden al caso normalizado, habría que emplear hardware analógico adicional para lograr este fin. • Número de muestras por periodo (NMP). El valor máximo para este parámetro es 512 • Múltiplo máximo de la frecuencia fundamental a considerar (NMAX). El valor máximo permitido para este parámetro es 40. • Coeficientes ai y bi de la serie trigonométrica a sintetizar, i = 1, 2, 3, ……..NMAX Una vez que el usuario ha dado los parámetros anteriores, el software SBSFAD genera una tabla que contiene los valores binarios que deben ser colocados uno tras otro a la entrada del DAC, de modo que la salida de éste sea la señal asociada con la serie de trigonométrica de Fourier truncada a un cierto número de armónicas, que se esté generando en un momento dado. La señal sintetizada que aquí denotamos como SF(t), se expresa como: SF (t )  i 1 0 0 …(5) Donde f0 representa el valor en Hertz de la frecuencia fundamental asociada, para el SFAD este valor está ligado al número de muestras por periodo implicado en cada caso. Dado que el periodo entre muestras es 2 µs, f0 está dado por la siguiente ecuación: ISBN: 978-607-00-8778-3 Supóngase que se desea generar con el SFAD una señal que aproxime a una señal cuadrada con ciclo de trabajo de 50%, empleando para ello los siguientes parámetros: NMP = 500 NMAX = 9 Considerando para fines analíticos que la función es par, y de media cero y que el SBSFAD normaliza ésta de modo que el valor Vpp sea 20 volts, la señal de salida SF(t) del SFAD será: SF (t )  n max [ai cos(2if t )  bisen(2if t )] III. EJEMPLO DE USO DEL SFAD 40  5  (1) k 1 k 1 1 cos(2(2k  1)f 0 ) …..(7) 2k  1 En la figura 2 se muestra la captura de los parámetros implicados en la consola de interfaz del SFAD. Nótese que dado que el SBSFAD normaliza la señal de salida, de modo que el valor Vpp de ésta sea 20 volts, los valores que se capturan pueden ser los siguientes: Página 32 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales a1 = 1, a2 = 0, a3 = -.333333, a4 = 0, a5 = .2, a6 = 0, a7 = -.142857, a9 = .111111 b1 = 0, b2 = 0, b3 = 0, b4 = 0, b5 = 0, b6 = 0, b7 = 0, b8 = 0 b9 = 0. Fig. 4. Testificación con MATLAB para la señal del ejemplo de uso del SFAD. IV. CÓDIGO EN MINIBAS8A A continuación se transcribe parte del código que hace posible la síntesis de señales. Fig. 2. Consola de interfaz donde se aprecia la captura de los parámetros del ejemplo de uso del SFAD. En las figuras 3 y 4 se muestran respectivamente la señal generada por el SFAD para el ejemplo de uso de éste, y la graficación de la misma señal empleando MATLAB. Fig. 3. Señal generada por el SFAD. Escala horizontal (.1 ms/div), escala vertical (5 volts/div). ISBN: 978-607-00-8778-3 dim afou(40),bfou(40),mtra(512) as single dim byacad(512) as integer iniens ptad equ $00 ptadd equ $03 jsr lee#car mov #$ff,ptadd finens valmax=0. valmin=0. print "CAPTURA DE DATOS BÁSICOS DE SEÑAL DE FOURIER A DESPLEGAR EN EL SFAD" print otronmp: input "Número de muestras por periodo, NMP = ",nmp% if nmp% > 512 or nmp% <= 0 then print "Valor de NMP inválido" goto otronmp endif otronmax: input "Múltiplo máximo de la frecuencia fundamental a considerar, NMAX = ",na% print if na% > 40 or na% <= 0 then print "Valor de NMAX inválido" goto otronmax endif thetafun=2.*3.141595/nmp% print print "CAPTURA DE COEFICIENTES DE SERIE TRIGONOMÉTRICA A DESPLEGAR" for i~=1 to na% Página 33 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales print "a";i~;"="; input " ",af afou(i~)=af print "b";i~;"="; input " ",af bfou(i~)=af next i~ for i% = 0 to nmp% - 1 sum=0. for j%=1 to na% sum= sum + afou(j%)*cos(i%*j%*thetafun) + bfou(j%)*sin(i%*j%*thetafun) next j% mtra(i%)=sum if mtra(i%)>=valmax then valmax=mtra(i%) ivalmax%=i% endif if mtra(i%)<=valmin then valmin=mtra(i%) ivalmin%=i% endif next i% '****Armado de tabla binaria ****************** bycad%=0 for i%=0 to nmp%-1 bycadr=10.*mtra(i%)/valmax byacad(i%)=12.75*(bycadr+10.) ' print "byacad(";i%;")=";byacad(i%) next i% '****************************************** print "ARMADO DE TABLA COMPLETADO " print " OPRIMIR CUALQUIER TECLA PARA DESPLEGAR LA SEÑAL EN LA SALIDA DEL SFAD " iniens jsr lee#car finens '... Reciclaje de tabla en DAC ................ nmpd%=nmp% nmpdtes%=nmpd% apuntab%=0 iniens iniciclo: ldhx #byacad 'h:x<-- dirini de tabla sthx apuntab% '(apuntab%) <-- dirini de tabla ldhx nmpdtes% sthx nmpd% '(nmpd%)<-- número de muestras por periodo aix #$ff sthx nmpd% cphx #$0000 bne ciclot bra iniciclo finens end V. CONCLUSIONES Las señales generadas por el SFAD presentan las mismas características que las proporcionadas por MATLAB, en cuanto a la forma de onda de la aproximación de la serie de Fourier; por lo que el propósito didáctico del SFAD es apropiado. Pero además el sintetizador permite que el estudiante “sienta” o experimente los conceptos teóricos asociados con la serie, lo cual es significativo en el mundo virtual de la educación de hoy en día. Lo que posibilita al mismo para ser utilizado en temas afines del currículo como filtrado, comunicación, análisis de sistemas y señales, etc. No se debe olvidar que este dispositivo didáctico está diseñado para coadyuvar a los estudiantes en la adquisición de conocimientos básicos que constituyen los antecedentes fundamentales de quien ha iniciado los estudios profesionales. Otra característica importante del sintetizador, que se debe señalar, es su disponibilidad para ser adquirido prácticamente por cualquier laboratorio educativo. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] Salvá, A y L. Altamirano (2009). DISPOSITIVOS CHIPBAS8, MICROCONTROLADORES HC08 PROGRAMABLES EN LENGUAJE BASIC. SAAEI 2009, Madrid España.. Salvá, A (2011). Manual de usuario del sistema AIDA08.Descargable de http://dctrl.fi-b.unam.mx/~salva/muaida08ve2011.pdf Manual de ususario del microcontrolador MC9S08GT60 descargable de www.freescale.com Murray R. Spiegel, Theory and Problems of Fourier Analysis (1974), McGraw Hill, USA. Hwei P. Hsu, Análisis de Fourier (1987), Addiso-Wesley Iberoamericana, USA. ciclot: ldhx apuntab% lda $01,x 'bycad%+1 sta ptad aix #$02 sthx apuntab% '************* nop's de ajuste *********** nop nop nop nop ldhx nmpd% ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 34 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Modelado de una línea de producción empleando redes de Petri y reconocimiento de patrones Ismael Vázquez-Salazar Rubén Machucho-Cadena Enrique Martínez-Peña Universidad Politécnica de Victoria , Avenida del Software S/N, Victoria, Tam. Tel. 01-834-207-4645, [email protected]; [email protected] Universidad Politécnica de Victoria, Avenida del Software S/N, Victoria, Tam. Tel. 01-834-309-1048, [email protected] Universidad Politécnica de Victoria, Avenida del Software S/N, Victoria, Tam., [email protected] Resumen — El presente trabajo expone los resultados del proceso de reconocimiento de objetos de interés en una línea de producción, con el fin de detectar fallas en los productos fabricados, tales como partes faltantes. Para ello se diseñó una red neuronal artificial personalizada, que acepta dos vectores de entrada, el primero contiene los 14 rasgos de textura de Haralick y el segundo, la distancia entre pares de puntos de las imágenes del producto, adquiridas mediante una webcam. El software utilizado fue Matlab, por su facilidad de uso en aplicaciones industriales. Mientras que el modelado de la línea de producción fue hecha con redes de Petri, para demostrar la vivacidad y acotamiento del proceso modelado en 3D. Este trabajo brinda el beneficio de agilizar el reconocimiento visual de productos en una línea de producción, haciendo uso del procesamiento digital de imágenes y redes neuronales, reduciendo costos de personal y tiempos de producción. Palabras Clave — Redes de Petri, Modelado de procesos, Red Neuronal Artificial, Clasificación de texturas. I. digital de imágenes mediante técnicas de reconocimiento de objetos empleadas para cumplir con los requisitos del producto dentro del proceso de producción. El presente trabajo presenta una propuesta de sistematización para la detección de rasgos definidos para un objeto dentro de una línea de producción, donde a partir del reconocimiento de tales objetos, se determinará si cumplen con las características requeridas del producto. Como ejemplo tomemos el caso en que después de transitar por una línea de ensamblado, una pantalla LED debe contar con la placa que incluye el nombre de la marca del fabricante, mediante esta propuesta se podrá definir si la pantalla puede continuar en la línea o debe ser descartada o regresada a la fase del proceso que no se cumplió correctamente. El esquema de visión artificial que se utiliza se representa mediante la figura 1. INTRODUCCION Las tecnologías como lo sabemos, han y están avanzando a un ritmo muy acelerado, tanto en las comunicaciones, seguridad, transporte y en el sector salud. En el sector industrial no es la excepción, ya que las empresas de esta rama se han estado reestructurando y optimizando sus procesos por medio de la automatización computacional. En esta rama, la inteligencia artificial, como parte de la informática, ha intentado imitar algunas capacidades del cerebro humano, como el procesamiento de imágenes. La visión artificial por computadora es una disciplina en constante crecimiento con una amplia gama de aplicaciones, como inspección automática, mediciones, reconocimiento de objetos, etc. La manipulación de objetos en líneas de producción es una de las tareas en las que en muchas empresas del giro industrial se sigue haciendo uso de la inspección visual humana. Aquí es donde se encuentra un claro campo de oportunidad para la implementación de las tecnologías de reconocimiento ISBN: 978-607-00-8778-3 Fig.1 Diagrama de bloques del sistema clasificador. II. METODOLOGÍA El método propuesto para la correcta identificación de imágenes es una combinación de procesamiento digital de imágenes con el entrenamiento de una red neuronal artificial personalizada. Representado en tres etapas principales: Página 35 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales modelado del diseño mecánico a través de una red de Petri, procesamiento digital de la imagen y diseño de la red neuronal. Modelado del diseño mecánico a través de una red de Petri: Una red de Petri puede ser identificada como un tipo particular de grafo dirigido bipartito poblado por tres tipos de objetos. Estos objetos son lugares, transiciones y arcos dirigidos que conectan lugares a transiciones y transiciones a lugares. Gráficamente los lugares son representados por círculos y las transiciones como barras o cuadros. (Haas, 2002) Un lugar es un lugar de entrada a una transición si existe un arco dirigido conectando ese lugar a una transición. Un lugar es una salida de una transición si existe un arco dirigido conectando la transición a dicho lugar. En su forma más simple, una red de Perti puede ser representada por una transición junto con sus lugares de entrada y salida. Esta red elemental puede ser usada para representar varios aspectos del modelado de sistemas. Los lugares de entrada y salida pueden representar precondiciones y pos condiciones, mientras que la transición representa un evento. En cuanto al estudio del comportamiento dinámico del modelado de sistemas, en términos de sus estados y sus cambios, cada lugar puede mantener potencialmente cero o un numero positivo de tokens, representados con pequeños puntos. La presencia o ausencia de un token en un lugar puede indicar si una condición asociada con ese lugar es verdadera o falsa. Para que un lugar represente la disponibilidad de recursos, el número de tokens en ese lugar indicará el número de recursos disponibles. La distribución de tokens en los lugares de una red de Petri, llamado marcado de la red de Petri, define el estado actual del modelado del sistema. Un marcado de una red de Petri con m lugares es representado por un vector M de m x 1 elementos los cuales son denotados como M(p), son enteros no negativos que representan el número de tokens en sus correspondientes lugares. Fig.2 Representación de la línea de producción mediante una red de Petri La figura 2 muestra el modelado de la línea de producción del sistema de reconocimiento de objetos en el proceso mediante una red de Petri. La tabla 1 muestra las transiciones de la red de Petri de la imagen x, mientras que la tabla 2 muestra los lugares de la red. TABLA 1. TRANSICIONES DE LA RED DE PETRI QUE MODELA LA LINEA DE PRODUCCION Transic ión Interpretación de la transición t1 Inicio de la transferencia de un objeto a través de la banda transportadora, hacia la cámara web para la captura de imagen. t2 Llegada del objeto a la cámara web, frenado de la banda transportadora. t3 Inicio de la captura de la imagen para su procesamiento digital. t4 Fin del procesamiento de la imagen, obteniendo como resultado que el objeto está correctamente formado. O se obtiene que el objeto no esté correctamente formado. t5 Inicio de la transferencia de un objeto a través de la banda transportadora, hacia el final de la línea. Si la validación del objeto es la correcta. t6 Fin de la transferencia de un objeto a través de la banda transportadora, la línea de producción ya se ha despejado por completo, lista para recibir un nuevo objeto. t7 Inicio de la transferencia de un objeto a través de la banda transportadora hacia el área de expulsión de objetos defectuosos, encendiéndose un indicador de Formalmente, una red de Petri puede ser definido como sigue: (Richard Zurawski, 1994) PN = (P,T,I,O,M 0); donde 1. P = es un conjunto finito de lugares, 2. T = es un conjunto finito de transiciones, , 3. 4. 5. ,y es una función de entrada que define los arcos dirigidos de lugares a transiciones, donde N es un conjunto de enteros no negativos, es una función de salida que define los arcos dirigidos de transiciones a lugares, y es el marcado inicial. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 36 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales error. t8 Fin de la transferencia de un objeto a través de la banda transportadora, llegando al área de expulsión. t9 Expulsión del objeto de la banda transportadora, la línea de producción ya se ha despejado por completo, lista para recibir un nuevo objeto. Son sugeridos un grupo de 14 rasgos de textura que pueden ser extraídos de cada uno de las matrices de dependencia espacial de tonos de grises. (HARALICK R.M., SHANMUGAM K., Y DINSTEIN I., 1973) Mismos que se indican a continuación:  Segundo momento angular:  Contraste: ∑ ∑ ∑{ {∑ ∑ | TABLA 2. LUGARES DE LA RED DE PETRI QUE MODELA LA LINEA DE PRODUCCION Lugar Interpretación de un token en el lugar p1 Llegando un objeto a la banda transportadora de la línea de producción. p2 Transfiriendo objeto a través de la banda transportadora hacia la captura y procesamiento de la imagen del objeto. p3 Llegando el objeto al área de la captura de la imagen. p4 Procesando la imagen del objeto para determinar si el objeto está bien armado o con defectos de fabricación. p5 Esperando opción en el flujo del proceso de acuerdo al resultado del procesamiento de la imagen del objeto. p6 Transfiriendo el objeto a través de la banda transportadora hacia el final de la línea de producción. p7 Transfiriendo el objeto a través de la banda transportadora hacia el área de expulsión de objetos defectuosos. p8 Expulsado objeto defectuoso de la línea de producción. Procesamiento digital de la imagen: El procesamiento digital de las imágenes tomadas por una web cam, se realiza mediante dos enfoques, mismos que forman las entradas para la red neuronal, se describirá más adelante. El primer dato obtenido del procesamiento digital de imágenes es un vector que cuenta con las distancias entre pares de puntos, como características que distinguen la imagen tomada en base a un conjunto de pixeles tomados. El segundo valor, resultado del procesamiento de las imágenes tomadas de los objetos que transitan por la banda transportadora es un vector con los catorce rasgos de Haralick para conocer la textura de la imagen, así no solo se toma en cuenta los colores de la imagen, sino la textura de la misma. ISBN: 978-607-00-8778-3 } } | ∑ ∑  Correlación:  y son la desviación estándar y means de y Suma de cuadrados: Varianza ∑ ∑ donde  Momento ∑∑  Suma de promedios:  Suma de varianza:     Suma de entropía: ∑ Entropía: ∑ ∑ Diferencia de varianza: Diferencia de ∑ { } Medidas de información de correlación:  de diferencia ∑ ∑  } entropía: , } ∑ ∑ entropías ( ( ) donde y de ∑ ∑ ∑ ∑ { , { son , inversa: 2  , ( ( ) ( ( y , y )) )) Coeficiente de correlación máxima: donde ∑ . Estas medidas de correlación tienen algunas propiedades deseables que no son llevadas a cabo en la medida de correlación rectangular f3. (Bell C.B., 1962) (Linfoot E.H., 1957) Diseño de la red Neuronal: Una red neuronal artificial (RNA) es un modelo matemático que intenta reproducir el modo de funcionamiento y operación del cerebro humano. Hoy en día, aunque existen muchas ramas encargadas de su estudio y desarrollo, éstas se engloban dentro de la inteligencia artificial. Las RNA se clasifican de acuerdo a su topología en Feedfoward, Backforward y Recurrente, según el algoritmo de aprendizaje que utiliza se divide en De aprendizaje supervisado, De aprendizaje no supervisado o auto-organizado, Hibridas y De aprendizaje reforzado. (Cruz, 2010) Página 37 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales La RNA que se utilizó en este trabajo es del tipo de Aprendizaje supervisado, lo que significa que requiere de un conjunto de datos previamente clasificado o cuya respuesta objetivo sea conocida, algunos ejemplos de este tipo de RNA, son el perceptrón simple, red Adaline, perceptrón multicapa, retro-propagación y la memoria asociativa bidireccional, siendo el elegido para ser usado el Perceptrón multicapa (MLP), el cual es una extensión del Perceptrón simple ya que extiende su aplicación a casi todos los ámbitos técnicos. La figura 3 muestra el diseño de la red neuronal implementada. Fig.4 Entrenamiento de la red neuronal artificial personalizada. IV. RESULTADOS En la figura 5 se puede observar el resultado del reconocimiento de imágenes realizado por la red neuronal, en donde podemos observar que la imagen del objeto en la línea de producción fue aprobado por el sistema de reconocimiento. Fig.3 Estructura de la red neuronal diseñada. III. DESARROLLO Como ya se mencionó en la sección anterior, se realizó un procesamiento digital de las imágenes tomadas en la línea de producción, dicha tarea se elaboró utilizando el software de Matlab. Fig.5 Resultado del reconocimiento de una imagen de un objeto correctamente conformado. Una vez se obtienen los datos que posteriormente se tomaron como parámetros de entrada para la red neuronal antes descrita. En la figura 4 se puede observar el entrenamiento realizado a la red neuronal. V. CONCLUSIONES El sistema modelado de la línea de producción mediante la red de Petri propuesta tiene la característica de no contar con bloqueos, lo que lo hace funcional en una línea de producción en la vida real. Incluyendo el reconocimiento de patrones en las imágenes obtenidas de los objetos de la línea de producción. Para el proceso de reconocimiento de objetos en base a su color y textura se diseñó e implementó una red neuronal basada en el modelo del perceptrón multicapa con el algoritmo de retro propagación. La eficiencia de este modelo es mayor al 90% y el tiempo de entrenamiento de la red es menor a 1segundo. VI. [1] [2] [3] [4] [5] [6] ISBN: 978-607-00-8778-3 REFERENCIAS Bell C.B. (1962). Mutual information and maximal correlation measures of dependence. Ann. Math. Statist., 43, 587-595. Cruz, P. P. (2010). INTELIGENCIA ARTIFICIAL con aplicaciones a la ingeniería. Haas, P. J. (2002). Stochastic Petri Nets: Modelling, Stability, Simulation. Springer. 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Este desarrollo forma parte del trabajo de tesis para la clasficación de vehı́culos basado en imágenes, el cual se propone como una alternativa atractiva y de bajo costo, para la identificación de ejes por medio de la detección de llantas y placas de un vehı́culo. El algoritmo esta desarrollado en lenguaje C++ utilizando librerı́as de programación de vision por computadora de OpenCV. Este algoritmo utiliza imágenes conteniendo la vista lateral de uno o más vehı́culos con 2 o más ejes. Las imágenes fueron tomadas en diferentes escenarios bajo luz de dı́a y a diferentes distancias del objetivo. El algoritmo se compone de 4 etapas: en la primera se realiza un binarizado de la imagen a un umbral especı́fico basado en un agrupamiento de pixeles. En la segunda se aplica el filtro de mediana para eliminar ruido en la imagen. En la tercera se aplica una librerı́a de OpenCV para encontrar los contornos: elipses, rectángulos y lı́neas dentro de la imagen. Cuarta etapa se aplica la transformada de Hough para la detección de cı́rculos en las llantas. Los resultados experimentales mostraron una precisión de al menos el 80 % en un conjunto de 100 imágenes. I. I NTRODUCCI ÓN La identificación de ejes en vehı́culos es fundamental para el cobro de peaje en caminos de cuota y puentes [4]. La identificación es realizada por el operador del carril que cobra el peaje y por los equipos ECT( equipos de control de tránsito) que mediante sensores electrónicos y bandas magnéticas instaladas en piso, identifican los ejes de un vehı́culo detectando las llantas que tiene éste. Para evitar el traslape de ejes entre automoviles, autobuses, trailers, etc., utilizan sensores infrarojos para separar vehı́culos completos. El operador de carril, identifica el número de ejes con base en su experiencia debido a que no tiene un buen ángulo de vista desde la cabina del carril haciendo dificil el determinar de cuantos ejes es el vehı́culo. Los errores generados entre ambos son analizados manualmente una vez que finaliza el turno del operador del carril, en donde a través de un sistema de grabación de video ya instalado, se verifica manualmente las diferencias de lo identificado por el operador del carril y los equipos ECT y se verifica quien no identificó adecuadamente el número de ejes, para posteriormente realizar los cargos a los proveedores de mantenimiento de los equipos de control ECT ó al operador del carril. Una alternativa es contar con un sistema que identifique ejes automáticamente usando el procesamiento de imágenes, de esto se trata este artı́culo. El resto del documento esta organizado como sigue. Sección 2 describe trabajos relacionados y la contribución con este artı́culo. Sección 3 describe el sistema propuesto. Sección 4 se describen los resultados ISBN: 978-607-00-8778-3 experimentales. Sección 5 se exponen las conclusiones de éste trabajo. II. T RABAJOS R ELACIONADOS Diferentes trabajos han propuesto soluciones en este tema en particular, basados en las técnicas de visión por computadora y procesamiento de imágenes. En [1], detectan partes principales de un vehı́culo, entre estas las llantas, primero definen un modelo geométrico para crear zonas de busqueda factible y aplican el algoritmo Cascade of Boosted Classifier(CBC) basado en Haar-like para la detección de mutiples partes del vehı́culo, para descartar partes extras o extrañas de estas zonas, se usó un metodo probabilı́stico. En el trabajo de [2], detectan llantas usando una cámara rectilineal para las tomas laterales de los vehı́culos, las imágenes son convolucionadas usando diferencia de filtros de bancos gausianos de 2 dimensiones. La respuesta de los filtros son aplicadas a un precómputo de componentes principales, los cuales son comparados con una mezcla gaussiana de llantas y no llantas, las llantas candidatas son elegidas y seguidas. En el trabajo de [3], se apega más a lo que proponemos en este artı́culo, describen un sistema que cuenta ejes automáticamente de un vehı́culo en tiempo real para propósitos de cobro de peaje, usan la transformada de Hough para la detección de las llantas, la cámara que hace la toma de los vehı́culos esta a 0.2 metros de distancia del objetivo y a un metro de altura. Los vehı́culos se presentan en forma lateral de la lı́nea del carril. Aplican filtros gausianos y filtros de sobel para detectar bordes antes de procesar con la transformada de Hough. III. S ISTEMA P ROPUESTO Nuestro principal objetivo es determinar la cantidad de ejes que componen el vehı́culo, esto lo conseguimos detectando las llantas. El vehı́culo visto lateralmente se compone de 2 llantas; una llanta trasera y una llanta frontal, cada llanta va unida a un eje o flecha mecánicamente con la otra llanta del lado posterior llamado ”eje”. La imagen que se aplica al algoritmo propuesto es la vista lateral del vehı́culo como se indica en el diagrama de la figura 1, que muestra la forma en que se obtuvo el conjunto de imágenes. Las imágenes fueron tomadas con luz del dı́a a una distancia de 2 metros de la carretera. La cámara estaba a una altura de 1.2 metros. En la figura 2 se muestra una imagen capturada por la cámara con una resolución de 1080x1920 pixeles y una profundidad de 24 bits, 3 canales: rojo, azul y verde. Página 39 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Figura 1. Ubicación de la cámara. en cada uno. Las imágenes fueron obtenidas manualmente. De los 3 videos se obtuvo un conjunto de 100 imágenes y con éstas se realizó la experimentación. 2)Reducción de la imagen al 50 % de su tamaño. La imagen es reducida o escalada a la mitad para tratar de reducir la cantidad de procesamiento de cómputo. Con la reducción la imagen procesada se obtuvo un tamaño de 920 pixeles de ancho por 640 pixeles de alto. 3)Binarización basada en agrupamiento de pixeles. El proceso de binarización, comienza primeramente definiendo un centroide que es un pixel ubicado en las llantas con un determinado valor para cada canal rojo, verde y azul, se tomó una muestra de 10 imágenes con diferentes tonos de llantas de nivel gris a negras y tomamos una media de estos valores, como se muestra en la tabla: Imagen Figura 2. Imagen del vehı́culo. Para detectar las llantas, el algoritmo propuesto realiza una caracterización de la imagen antes de procesarla con la transformada de Hough. El proceso envuelve 7 u 8 estados antes de la detección: 1) Leer imagen 2) Reducción de imagen 3) Binarización basada en agrupamiento de pixeles, 4) Encontrar contornos 5) Filtrar imagen 6) Aplicación del filtro de mediana a la imagen de cada región, 7) Aplicación de la transformada de Hough a la imagen obtenida para la detección de cı́rculos en las llantas y 8) Regionalización. El Diagrama a bloques del algoritmo se muestra en la figura 3). Figura 3. Diagrama a bloques del Algoritmo. 1)Leer Imagen. Las imágenes, son leı́das desde el disco duro de la computadora, todas con extensión ”png”, se eligieron tres escenarios en donde se tuviera un fondo con árboles y edificios, considerando que en una implementación pueda operar bajo distintos ambientes. Las imágenes se obtuvieron de 3 videos grabados con una cámara de video Marca SONY modelo HDR-CX130, a una distancia de aproximadamente 2 metros ISBN: 978-607-00-8778-3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Media Llanta trasera Rojo Verde Azul 43 45 54 22 24 30 12 12 17 18 22 30 18 17 24 24 24 33 31 33 40 14 16 20 21 25 31 18 19 28 22.1 23.7 30.7 Llanta delantera Rojo Verde Azul 41 49 59 35 36 45 20 20 27 28 30 36 31 31 36 22 21 32 32 31 37 20 20 25 17 21 23 39 41 50 28.5 30 37 Cuadro I U BICACI ÓN DEL CENTROIDE . Calculando la mediana de la última fila obtenemos un centroide con los siguientes valores redondeados a enteros: ro(Rojo)= 24, go(Verde)= 26 y bo(Azul)= 33. Para generar la imagen binarizada se calculó la distancia del centroide hacı́a cada pixel de la imagen, con la siguiente ecuación: p distancia = (r − ro)2 + (g − go)2 + (b − bo)2 Los valores de distancia que se obtuvieron se compararon con un un umbral que se definió con valor de 40. Este se determinó consultando el mı́nimo valor de la imagen en el canal rojo, verde y azul. Los pixeles cuya distancia es menor al umbral son reemplazados por pixeles de color blanco con valor 255. La imagen que se obtiene calculando la binzarización con el umbral establecido se muestra en la figura 12(a). 4) Filtro de mediana. El paso siguiente antes de procesar y encontrar contornos, fue aplicar un filtro de mediana con una ventana o kernel de 5x5 y eliminar el ruido en la imagen. En la figura 12(b) se muestra la imagen aplicando el filtro de mediana. 5) Encontrar contornos rectángulos, elipses y lı́neas para ubicación de cı́rculos. En la figura 12(b) la llanta delantera se aprecia su forma circular, pero la llanta trasera solo se aprecia una parte de ésta, para mejorar su forma procesamos con la libererı́a ”findcontours”de OpenCV version 2.4.9, aplicando a la imagen se obtienen rectángulos y elipses de cada uno de los contornos de la imagen. Los resultados se muestran en la figura 12(c). En la imagen se aprecia cómo se forman 2 cuadrados Página 40 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales en las llantas del vehı́culo, el cı́rculo que representa la llanta no está totalmente definido, en el caso de la llanta trasera es más dificil apreciar el cı́rculo, no ası́ en la llanta delantera en donde se aprecia más o incluso se forma. ”findcontours” realiza un análisis estructural de la imagen detectando rectángulos, elipses y lı́neas. 6) Filtrar imagen. El algorimo busca esos rectángulos y obtiene su área, para después calcular los ejes de las elipses encontradas por ”findcontours”. Los diámetros de los ejes son dividos entre si para determinar si se trata de cı́rculos. De los experimentos realizados se encontró que los diametros se encuentran entre 0.7 y 1.2 pixeles y que el área de esos rectángulos que contienen las elipses es de 500 pixeles. Filtrando toda la imagen con los diámetros y área aproximados, solo quedan los rectángulos de las dos llantas del vehı́culo, como se muestra en la figura 12(d). 7) Transformada de Hough. La imagen de la figura 12(d), es procesada por la Transformada de Hough, con los siguientes parámetros: distancia entre cı́rculos detectados igual a 50 pixeles; Umbral para el detector de bordes de canny igual a 200; parámetro de ”votos” para detectar cı́rculos igual a 80; radio interno es 0 y radio exterior igual a 100. Si el parámetro de votos es menor entonces la transformada de Hough detectará cı́rculos que no necesariamente corresponden a las llantas. Aplicando la transformada a la imagen se obtiene el resultado de la figura 4. no fueron encontrados 2 cı́rculos en las etapas anteriores, esto ocurrió para el 70 % de las imágenes restantes, a éstas imágenes se aplicó la regionalización que abarque exclusivamente el vehı́culo. Para encontrar la región de interés ROI”( Region Of Interest) se utilizó la imagen generada por ”findcontours’. Primero se determina el rectángulo más grande, calculando el área de todos los rectángulos y seleccionando al mayor de todos únicamente. En el caso del vehı́culo de la figura 2 y su detección de contornos de la figura 12(c), se localiza la región de interés como se muestra en la figura 6. Figura 6. Región de interés de la imagen del vehı́culo. Para hacer más efectiva la detección de los cı́rculos la imagen se regionaliza en 4 partes y se eligen las dos inferiores, como se muestra en la figura 7. (a) (b) (c) (d) Figura 7. Imagen regionalizada. El algoritmo toma las imágenes c y d donde estan ubicadas las llantas. Figura 4. Imagen del vehı́culo aplicando la Transformada de Hough con votos igual a 80. En la figura 4, solo se detecta una llanta, si se disminuye el valor de votos a 60 se detectan ambos cı́rculos en las llantas, como se muestra en la figura 5 pero no es muy conveniente ya que para cada imagen se requiere un parámetro de voto distinto. Realizando experimentos con las 100 imágenes, se encontró que el valor de 80 es un valor aceptable debido a que al aplicarlo en todas las imágenes, se logró detectar al menos el 30 % de llantas correctamente. Antes de procesar la imagen con la tranformada de Hough se aplica un filtro gaussiano para eliminar ruido en la imagen. La detección de la llanta trasera obtenida al aplicar la transformación de Hough, se muestra en la figura 8. Figura 8. Llanta Trasera. Detección de llantas con Transformada de Hough. En la figura 9 se muestra la detección de la llanta delantera. Figura 5. Imagen vehı́culo aplicando Transformada de Hough con votos igual a 60. Figura 9. Llanta Delantera. Detección de llantas con Transformada de Hough. 8) Regionalización. Se llega a esta etapa después de que ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 41 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales IV. R ESULTADOS Un conjunto de 100 imágenes con resolución de 1080x1920 pixeles, fueron probadas por el algoritmo generando una tabla de datos para determinar las detecciones correctas por el algoritmo, se observó que del conjunto de 100 imágenes solo el 30 % detectó correctamente las imágenes sin necesidad de regionalizar, con la detección de contornos fue suficiente para la detección. Fueron imágenes en donde las llantas tenı́an color negro y tenı́an tapón, lo que facilitó su detección. El 70 % del conjunto de 100 imágenes tuvo que regionalizarse para poder detectar la llantas, las pruebas demostraron que al menos el 70 % tuvo detecciones correctas. Las imágenes que no fueron detectadas correctamente se debió a que las llantas no tenı́an tapón. En la figura 10 y 11 subı́ndices (a) se muestra la imagen regionalizada y normal respectivamente y en los subı́ndices (b) y (c), se muestran las imágenes obtenidas aplicando el algoritmo desarrollado. Conjunto de 100 imágenes Llanta trasera Llanta delantera Resultado de la detección de llantas Sin Regionalizar Regionalizando % (30 imágenes) ( 70 imágenes) 100 % 76 % 83.2 % 100 % 72 % 80.4 % (a) (b) (c) Figura 10. a) Imagen regionalizada. Detección de llantas a ) y b). Cuadro II R ESULTADO DE LA DETECCI ÓN DE LLANTAS . V. C ONCLUSIONES En este trabajo se implementó un algoritmo para la clasificación de ejes por medio de la detección de llantas. El proposito fue detectar las llantas de un vehı́culo con alta precisión. El algoritmo se probó con imágenes en diferentes escenarios para hacerlo lo más general posible. En una caseta de peaje en donde se pretende que tenga su utilidad, el vehı́culo es dispuesto en un carril de peaje en donde la cámara estará a menor distancia del vehı́culo facilitando con ello la detección. Este trabajo contribuye a la investigación en el área de vision computacional. El algoritmo continuará mejorándose para aumentar la precisión, necesaria para competir con los equipos de control de tránsito(ECT) que son usados en la actualidad para la detección y clasificación de ejes vehı́culares. (a) (b) (c) Figura 11. a) Imagen normal. Detección de llantas a ) y b). R EFERENCIAS [1] Robert Laganiére Alberto Chávez-Aragón and Pierre Payeur. Vision-based detection and labeling of multiple vehicle parts. 2011 14th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems, pages 1273– 1278, Oct 2011. [2] Mohan M. Trivedi Ofer Achler. Camera based vehicle detecction, tracking and wheel baseline estimation approach. Computer Vision and Robotics Research Laboratory, University of California, San Diego, La joya CA, pages 1–5. [3] Yu-fai Fung- Homan Lee M. Fikret Ercan Image Processing Application in Toll Collection. AENG International Journal of Computer Science, 32:4, IJCS 32 4 15, issue date, November 2006. [4] Secretarı́a de Comunicaciones y Transportes, Caminos y Puentes Federales de Ingresos y Servicios Conexos,titulo: Compendio de Operación de Plazas de Cobro año 2011, 06 de Noviembre de 2009,pages 10/527 (a) (b) (c) (d) Figura 12. a) Binarizado, b) Filtro de mediana, c) Contornos d) Filtrado de Contornos ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 42 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Un Enfoque de Mejora a Diagramas de Clase UML con un Modelo basado en el Algoritmo Genético Sánchez Hernández Rubén Darío Machucho Cadena Rubén Estudiante de Posgrado – Maestría en Ingeniería Universidad Politécnica de Victoria Ciudad Victoria, México [email protected] Profesor-Investigador Universidad Politécnica de Victoria Ciudad Victoria, México [email protected] Abstract— Construir un Diseño Arquitectural del Software (DAS) con alta calidad es una tarea que requiere de gran esfuerzo. Mantener al DAS en este nivel para satisfacer la integración de nuevos componentes durante el desarrollo de software, se vuelve aun más complejo. Investigaciones recientes muestran gran atención a problemas de la Ingeniería de Software para ser tratados con técnicas metaheurísticas, entre las que destaca el algoritmo genético. Estas investigaciones se enfocan en automatizar el proceso de diseño de software a partir de la etapa de los requerimientos. Sin embargo, dichas investigaciones no cubren la problemática de asegurar la calidad del DAS en la integración de componentes. Para este fin, este artículo propone un modelo basado en el algoritmo genético para ofrecer oportunidades de mejora, por medio de métricas y patrones de diseño de la ingeniería de software. Al introducir estos elementos en el modelo, el enfoque propuesto busca evolucionar la descripción del DAS con el objetivo de generar una versión de mayor aptitud al final de la búsqueda. Aplicamos este modelo con un conjunto de diagramas de clase UML, que se seleccionaron de aplicaciones web de proyectos del mundo real. Los resultados obtenidos reflejan que la elaboración de este tipo de propuestas representa un avance en disponer herramientas automatizadas que sirvan de apoyo al arquitecto de software en la integración de componentes. Keywords— Arquitectura del Software, Métricas de Software, Algoritmos Genéticos, UML, Ingeniería de Software. I. INTRODUCCIÓN. El Diseño de la Arquitectura del Software (DAS) es una de las descripciones más importantes que se realizan en la Ingeniería de Software (IS), ya que es el artefacto encargado de dirigir la solución a los requerimientos a través de la organización del software en componentes. Un problema latente en el proceso de diseño de arquitecturas son las especificaciones inadecuadas a los requerimientos del software debido a la falta de experiencia del arquitecto. Estudios relevantes [1] muestran que una porción muy significativa de proyectos de software se ven afectados por tener pobres especificaciones, lo cual deriva que terminen extendidos en costos, tiempos de entrega, control del alcance de los requerimientos, dificultad de mantenimiento de los cambios, entre otros factores que debilitan la IS. Actualmente, la experiencia de la IS con metodologías ágiles de desarrollo muestra que las especificaciones del software cambian en tiempos de implementación. Los cambios están dados en los requerimientos y se adaptan de manera incremental para entregar software funcional en períodos muy cortos. Este fenómeno deriva que el DAS se encuentre en constante reestructuración, debido a que se integran nuevos componentes de software [2] a su especificación. El reto se encuentra en diseñar el DAS de tal manera que sea fácil modificarlo y extenderlo con el fin de satisfacer los nuevos requerimientos, por lo tanto, se requiere que su nivel de calidad sea adecuado para mantener su crecimiento y la complejidad de su construcción. Dado que no es sencillo identificar los defectos en la especificación del DAS, la IS se apoya en dos importantes tecnologías. La primera son las métricas que le permiten al practicante de la IS evaluar de forma matemática diversas características de calidad del software, tales como la flexibilidad, la mantenibilidad, entre otras [3]. La segunda son patrones de diseño que sirven como plantillas de solución a problemáticas de diseño de software que ocurren muy frecuentemente en proyectos de gran tamaño [4]. Sin embargo, usar estas tecnologías requiere de una inversión intelectual muy significativa, por lo cual a menudo se omite su adopción. Con la finalidad de reducir la intervención humana en la IS, la literatura científica recientemente ha reportado un campo de investigación [5], el cual presenta un interés creciente por aplicar técnicas metaheurísticas a problemas que se dan en la IS. La creación del término Ingeniería de Software basada en búsqueda (SBSE, por sus siglas en inglés) acuñe a formular una práctica de la IS que puede ser visto como un problema de búsqueda de optimización. Un gran número de enfoques en este campo se han abordado para apoyar al practicante en diferentes etapas de la IS. De las etapas que mayor atención ha mostrado durante los últimos años se destaca la de Diseño del Software [6], la cual incluye estudios sobre el proceso de diseño de arquitecturas. Usualmente la especificación del DAS es dada a partir de diagramas de clase UML. Este artículo presenta un enfoque de mejora para este tipo de diagramas usando 11 métricas de la IS y 6 patrones de diseño [3,7]. Estos elementos son introducidos a un modelo basado en el algoritmo genético [8] (GA, por sus siglas en inglés) que al final de la búsqueda Este trabajo se realiza como parte del programa de Posgrado de la Universidad Politécnica de Victoria recibiendo el apoyo del Padrón Nacional de Posgrados de Calidad del CONACYT. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 43 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales devuelve una versión del DAS con oportunidades de mejora, en relación con las métricas propuestas. El ambiente del GA, como cualquier otra metaheurística, se compone de tres elementos: una representación de la solución, un mecanismo para hacer cambios a dicha solución, y finalmente un medio para medir la calidad de la solución. La figura 1 presenta las partes que constituyen este modelo. El resto de este artículo está organizado como sigue. La sección 2 provee los antecedentes relacionados a este enfoque. En la sección 3, se describe de forma detallada el modelo basado en el GA. La sección 4 contiene una discusión de la validación experimental que se desempeñó. Finalmente en la sección 5 se presentan las conclusiones y el trabajo futuro. Diseño Arquitectural del Software Original Lista de Atributos y Métricas Patrones de Diseño Transformador del Diseño Representación de Solución Evaluación del Diseño Solución Inicial Función de Aptitud Población Nueva Función de Reproducción y Cruza Población Evaluada Generar Población Inicial Función de Selección Población Actual Solución Óptima Diseño Arquitectural del Software Mejorado Figura 1. Modelo basado en el Algoritmo Genético II. ANTECEDENTES Esta sección revisa los conceptos básicos que soportan el desarrollo del modelo propuesto, incluyendo las métricas para los diseños orientados a objetos, patrones de diseño, y el trabajo relacionado. A. Métricas. En la IS, las métricas se usan para evaluar características del software como las líneas de código, número de clases, cohesión entre clases, entre otras. Estas métricas proporcionan un diagnóstico de estas características, y en la marcha, es posible revisar como ha cambiado el diseño del software a través del tiempo. La suite QMOOD [3] (por sus siglas en inglés, Quality Model for Object Oriented Design) introducidas por Bansiya y Davis se componen por 11 métricas individuales, cada una evalúa distintos aspectos del diseño orientado a objetos. A partir de estas métricas los autores derivaron un conjunto de fórmulas para medir atributos de calidad característicos en la IS para observar el nivel o las oportunidades de mejora que tiene el software. Para validar la estimación de calidad de esta ISBN: 978-607-00-8778-3 suite, se designó un grupo de 13 evaluadores independientes con experiencia en desarrollo de software comercial. Los autores demostraron la correlación positiva de manera estadística entre la evaluación de calidad de la suite QMOOD y la de los 13 evaluadores, demostrando así que la suite puede efectivamente medir la calidad de los diseños. B. Patrones de Diseño Un patrón de diseño es la aplicación de un tipo popular de mejora estructural que se aplica a diseños de software. Los patrones de diseño son pequeños, son soluciones reusables de uso genérico que ocurren en un contexto específico. Este artículo se enfoca en un subconjunto de los patrones de diseño de Gamma [4]: Abstract Factory, Adapter, Bridge, Decorator, Prototype, y Proxy. Este subconjunto dirige problemas relacionados a las clases y las asociaciones que componen la estructura del DAS. El término instanciación de un patrón de diseño se usa en la IS para indicar la realización del mismo en una zona particular del DAS. C. Trabajo Relacionado Los artículos señalados en esta subsección están orientados a dirigir el proceso del diseño del software en diferentes niveles de abstracción y para problemáticas particulares. Estos trabajos datan desde 2001. Dentro los más destacados se encuentran Simons y Parmee [9] que usaron el GA para generar un diseño de clases UML correspondiente a la descripción de la arquitectura, usando como entrada la especificación de casos de uso. La inteligencia dada al GA dirige el proceso de construcción del DAS a través de métricas orientadas a objetos para medir la integridad conceptual. El diseño experimental de este trabajo muestra ser efectivo para generar diagramas de clases pero no se considera en la búsqueda los principios dados por los patrones arquitecturales de la IS. Siguiendo la misma idea, Räihä et al. [10] usaron un GA para dirigir el proceso de construcción del DAS con UML, considerando un estilo arquitectónico en particular. Los autores [11] extendieron esta investigación enfocados en la modificabilidad del DAS, comparando los resultados de sus evaluaciones con un método reconocido en la IS. Sus estrategias demostraron ser altamente efectivas para cubrir la responsabilidad del arquitecto con los requerimientos funcionales del software y en cierta medida con los no funcionales, sin embargo no se consideran otros atributos que describen al DAS en el desarrollo, en específico para adaptarse a la integración de componentes, como la flexibilidad, extensibilidad entre otros. A pesar de la variedad de trabajos, ninguno de ellos hace una revisión en DAS ya construidos para estudiarlos y evaluar su calidad bajo el fenómeno de la integración continua de componentes. III. MODELO PROPUESTO Esta sección describe los elementos del modelo basado en el GA para mejorar al DAS. El enfoque propuesto consiste en dirigir el ambiente del GA por medio de métricas de la IS para encontrar una versión de mayor aptitud en base a dichas Página 44 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Árbol Transformador Minitransformaciones: Raíz Partial Abstraction Auto Partial Abstraction ‘Automobile’ Fábrica de Autos Abstract Access Abstraction Delegation Encapsulate Construction Partial Abstraction Wrapper ‘Factory’ Elementos del Grafo: call Conductor instantiate Auto Fábrica de Autos call Grafo (Diagrama de Clases UML) Vértices: *Classes *Interfaces Aristas: *Aggregate *Associate *Compose *Call *Implement *Inherit *Instantiate *Own Figura 2. Elementos de la Representación del Individuo métricas. En este modelo, una solución es: el DAS modificado por la integración de nuevos componentes, y la serie de pasos para transformar al DAS de su diseño actual a un diseño reestructurado. Por lo tanto, la representación de esta solución se constituye por dos elementos principales: un grafo que representa al DAS, y un árbol de transformación cuyos nodos representan pequeños cambios bien definidos al DAS que habrá de ser reestructurado. Estos cambios son capaces de crear instancias de patrones de diseño, aprovechando el trabajo por Ó Cinnéide [7]. Con el fin de evaluar las diferentes soluciones DAS en el espacio de búsqueda, se usa la suite de métricas propuestas por Bansiya y Davis [3], la cual combina un conjunto de métricas para analizar propiedades orientadas a objetos como la cohesión entre clases, jerarquías, herencia, entre otras; al mismo tiempo, esta suite permite observar el nivel de atributos de calidad tales como flexibilidad, extensibilidad, entre otras. Esta suite es una de las referencias más citadas en la literatura para la calidad del software. Se ilustran los resultados de este modelo al aplicarse con un conjunto de diagramas de clases provistos por un caso de estudio del mundo real A continuación se describen sus componentes principales, incluyendo como son representados los individuos de la población en evolución, como es que dichos individuos mutan, y como son evaluados los nuevos individuos reproducidos en el proceso evolutivo. A. Representación del Individuo En el modelo, los individuos son representados como un par que incluye a un grafo y un árbol de transformación. El grafo representa al DAS afectado por la integración de nuevos componentes, en forma de diagrama de clases UML. Los vértices del grafo representan las clases en el UML, mientras que las aristas representan las relaciones entre dichas clases. Con el fin de proveer suficiente información al GA, las aristas del grafo presentan etiquetas con el detalle semántico UML como instanciaciones de clase, llamadas de función, entre otros. Cuando se inicia la población del GA, cada individuo tiene una copia del DAS original a ser modificado. El árbol de transformación codifica una serie de cambios para el grafo del individuo. Cuando el árbol es ejecutado, ejecuta dichos cambios y produce una versión modificada del ISBN: 978-607-00-8778-3 grafo. La ejecución del árbol consiste en visitar cada uno de sus nodos, empezando con la raíz y ejecutando los nodos hijos de forma recursiva de izquierda a derecha. Cada nodo del árbol puede representar: un nodo de transformación que responsable de desarrollar las modificaciones al grafo, un nodo de información que apoya con información al nodo de transformación acerca de las clases del grafo, o el nodo raíz. Cada nodo de transformación es una implementación de las transformación de Ó Cinneide [7]. La figura 2 presenta con una muestra las partes que componen esta representación. En general, representar al DAS en un grafo permite computar de forma sencilla las métricas QMOOD con algoritmos para grafos. B. Función de Selección Esta función tiene como propósito seleccionar individuos durante el espacio de búsqueda del proceso evolutivo del GA, con la finalidad de reproducir los nuevos individuos de las siguientes generaciones. El comportamiento de esta función se basa en algoritmo selección por torneo [8]. Este algoritmo toma una muestra aleatoria de n individuos de la población, y compara el nivel de aptitud de cada individuo, para seleccionar al individuo con el mejor nivel. El valor n se denomina tamaño del torneo, típicamente oscila en un rango menor a 10 para diversificar la selección. El modelo propuesto emplea este algoritmo para elegir aquéllos grafos con mejor aptitud. C. Función de Reproducción El propósito de esta función es generar nuevos individuos para las próximas generaciones en el proceso genético del GA. El procedimiento de esta función consiste en tomar dos árboles de transformación (padres) para ser recombinados y generar nuevos árboles (hijos), según el proceso estándar de cruza de árboles. En donde una rama es seleccionada de manera aleatoria y removida del primer padre, y de la misma forma con el segundo padre. Esto con la finalidad de que las ramas seleccionadas puedan ser intercambiadas entre sí, justo en el punto en el que fueron removidas ambas ramas, lo que da a lugar a la generación de nuevos árboles. Enseguida, una copia del grafo del DAS le es asociada a estos árboles, de tal forma que, al ejecutarse el árbol de transformación correspondiente, la estructura del grafo es modificada en una nueva versión, dispuesta a ser evaluada en el ambiente del GA. D. Función de Aptitud. Esta función está compuesta por la suma de coeficientes derivados de las fórmulas de atributos de calidad especificados en la suite QMOOD [3], como por ejemplo la Extensibilidad que se define por: (0.5*Abstracción - 0.5*Acoplamiento + 0.5*Herencia + 0.5*Polimorfismo). Cada una de las fórmulas que aparecen en esta suite se componen de la combinación de 11 métricas orientadas a objetos. Este conjunto de métricas se computaron en base a las definiciones mostradas en la tabla 1. Página 45 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales sistema específico que está siendo desarrollado para un proyecto del mundo real. La evaluación es dirigida por la función de aptitud. Finalmente, la elaboración de este tipo de propuestas representa un avance en disponer herramientas automatizadas para apoyo al arquitecto en los procesos de construcción del software. Los resultados preliminares muestran que este modelo es capaz de mejorar el diseño en relación con las métricas propuestas. Como trabajo futuro, se sugiere considerar diferentes métricas, el uso de otras metaheurísticas, y conducir experimentación con otros casos de estudio del mundo real. Figura 3. Soluciones obtenidas del caso de estudio aplicando el modelo. IV. EVALUACIÓN EXPERIMENTAL En esta sección se presentan los resultados de un caso de estudio del mundo real. A. Entorno de Implementación Los experimentos fueron desarrollados en una PC corriendo OS X 10.7.5. Para el ambiente del GA en el modelo propuesto se usó el framework Evolutionary Computation for Java (ECJ) [12]. Los parámetros a considerar para el GA se componen por 100 generaciones y el tamaño usado para seleccionar individuos en el algoritmo selección por torneo es de 7. En el recuento de los resultados, se consideraron únicamente los individuos más aptos en cada generación. El modelo propuesto usa la misma semilla en cada corrida con el fin de obtener una muestra no sesgada. B. Casos de Estudio El experimento considera a la entrada un diagrama de clases UML con 15 clases. La línea base de la evaluación considera únicamente la suite de métricas QMOOD para distinguir las oportunidades de mejora según el coeficiente dado por la función de aptitud. El valor de aptitud del diagrama inicial es 2.358, mientras que el diagrama de salida su valor fue 2.915. V. CONCLUSIONES Como resultado fue posible construir un modelo basado en el algoritmo genético usando 11 métricas de la ingeniería de software y 6 patrones de diseño para mejorar la calidad de diagramas de clase UML. El caso de estudio forma parte de un Métrica Tamaño del diseño en clases Número de jerarquías Acrónimo (inglés) DSC REFERENCIAS [1] Nizam M., Sahibuddin S. Critical success factors for software projects: A comparative study. In: Scientific Research and Essays. Volume 6. (2011) 2174–2186 [2] Mens T., Tourwe T. A Survey of Software Refactoring. IEEE Transactions on Software Engineering, IEEE Trans. Softw. Eng. 30, 2 (Febrero 2004), 126-139 [3] Bansiya J., Davis C.A Hierarchical Model for Object-Oriented Design Quality Assessment. IEEE Transactions on Software Engineering, Vol. 28, No. 1, Enero 2002, pp. 4-17. [4] E. Gamma, R. Helm, R. Johnson, and J. Vlissides. Design patterns: elements of reusable object-oriented software. Addison-Wesley Reading, MA, 1995. [5] Harman M., Jones B. Search-based software engineering. Number 43, Information and Software Technology (2001) 833–839 [6] Räihä O. A survey on search-based software design. Computer Science Review 4(4) (2010) 203–249 [7] M. Ó Cinnéide. Automated Application of Design Patterns: A Refactoring Approach. PhD thesis, University of Dublin, Trinity College, 2001. [8] El-Ghazali Talbi. 2009. Metaheuristics: From Design to Implementation. Wiley Publishing. [9] Simons C., Parmee I. User-centered, evolutionary search in conceptual software design. In: Proceedings of the IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC ’08) (World Congress on Computational Inteligence), Hong Kong, China, IEEE (1-6 June 2008) 869–876 [10] Räihä O., Koskimies K., Mäkinen E. Genetic synthesis of software architecture, In Proceedings of the 7th International Conference on Simulated Evolution and Learning, SEAL’08, Australia, in: LNCS, vol. 5361, 2008, pp. 565–574. [11] Räihä O., Koskimies K., Mäkinen E. Generating Software Architecture Spectrum with Multi-Objective Genetic Algorithms. Proc. of the World Congress on Nature and Biologically Inspired Computing (NaBIC'11), IEEE CS Press, Salamanca, España, Octubre 2011, 29-36. [12] http://cs.gmu.edu/~eclab/projects/ecj Descripción Atributo Interno Un conteo del número total de clases en el diseño. NOH Un conteo del número de jerarquías de clases en el diseño. Tamaño del Diseño Jerarquía ANA Un conteo del número promedio de clases desde donde cada clase hereda información. Abstracción NOP Un conteo del número de métodos que pueden exhibir comportamiento polimórfico. Polimorfismo CIS Un conteo del número de métodos públicos en una clase. Mensajería NOM Un conteo de todos los métodos definidos en una clase. Complejidad Métrica de acceso a datos DAM Encapsulación Acoplamiento directo de clase Cohesión entre métodos de clase Medida de agregación DCC La proporción del número de atributos privados (protegidos) con respecto al número total de atributos declarados en la clase. Un conteo del número diferentes de clases en las que una clase está directamente relacionada. La relación entre métodos de una clase computados, usando la suma de la intersección de parámetros de un método. Un conteo del número de declaraciones de datos cuyos tipos son definidos por el usuario. Número promedio de ancestros Número de métodos polimórficos Tamaño de interface de clase Número de métodos Medida de abstracción funcional CAM MOA MFA ISBN: 978-607-00-8778-3 La proporción del número de métodos heredados por una clase en relación con el número de métodos accesibles por los métodos miembro de una clase. Tabla 1 Asociación de Atributos Internos y Métricas extraídas del Modelo QMOOD. . Acoplamiento Cohesión Composición Herencia Página 46 Mecatrónica 47 Página intencionalmente dejada en blanco. Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Experiencias al Desarrollo Científico y Tecnológico de Sistemas Más Eléctricos Francisco J. Perez-Pinal, Member IEEE Professor, Automotive Mechanical Engineering Department, Polytechnic University of Pachuca Adjunct Assistant Professor, Electrical and Computer Engineering Department, McMaster University Adjunct Assistant Professor, Mechanical Engineering Department, McMaster University. Ex–Hacienda de Santa Bárbara, Carretera Pachuca–Cd. Sahagún Km. 20, Zempoala, 43830, Hidalgo, Mexico. URL: www.upp.edu.mx, URL: http://www.ece.mcmaster.ca/~fperez/ Abstract— El concepto de sistema más eléctrico es la sustitución de viejas tecnologías mecánicas, hidráulicas o neumáticas, por sistemas energéticamente eficientes los cuales constan de convertidores electrónicos de potencia, máquinas eléctricas y sistemas embebidos de control. Estos sistemas implementados en tiempo real, han abierto todo un nuevo nicho de oportunidades en el área de vehículos terrestres, aeronáuticos y marítimos. Este artículo resume las experiencias recabadas en los últimos doce años en el desarrollo de este tipo de sistemas. Keywords—Sistema más eléctrico; vehículo eléctrico; vehículo hibrido; vuelo por cable. I. INTRODUCCIÓN Hoy en día las similitudes en la industria aeroespacial, automotriz y eléctrica han permitido que aplicaciones realizadas en un sector puedan ser extensibles a otro, utilizando el concepto de sistemas más eléctricos (MES por sus siglas en inglés) [1]. El uso masivo de MES ha ido intensificándose en los últimos años, debido entre otros factores a su alta eficiencia energética, bajo peso, y gran versatilidad. El concepto de MES es la sustitución de viejas tecnologías mecánicas, hidráulicas o neumáticas, por sistemas energéticamente eficientes los cuales constan de convertidores de potencia y controladores de motores eléctricos. Entre los beneficios de la actuación eléctrica se pueden mencionar los siguientes:  Las tareas de manutención se hacen más rápidas y eficientes.  Se mejora la confiabilidad de los sistemas, por ejemplo,  La distribución eléctrica es más práctica y ofrece la posibilidad de reconfiguración.  Tiene una arquitectura más flexible ante fallas, puesto que las partes pueden ser fácilmente removibles.  La seguridad del sistema se incrementa, puesto que no sólo todo el sistema puede ser monitoreado ante fallas, sino que además pueden limitarse de manera automática, maniobras riesgosas o fallas de cálculo del usuario.  El peso se reduce, al sustituir componentes mecánicos, neumáticos o hidráulicos. Francisco J. Perez Pinal, agradece a todas las universidades, centro de investigacion nacionales y extranjeros, asi como a las personas involucradas en el desarrollo de estos proyetcos. ISBN: 978-607-00-8778-3 Este artículo resume las experiencias recabadas en los últimos doce años en el desarrollo de este tipo de sistemas. En un inicio se da el desarrollo de un diferencial eléctrico. Posteriormente se mostrará la aplicación del concepto de MES al desarrollo de un vehículo híbrido de competencia y de un vehículo eléctrico con celdas de combustible. A continuación, se recapitulan las condiciones necesarias para desarrollar este tipo de proyectos. II. DIFERENCIAL ELÉCTRICO El diferencial mecánico (DM) es un dispositivo ampliamente utilizado en los vehículos terrestres. Este dispositivo mecánico permite sincronizar la posición y velocidad de giro de cada una de las ruedas. Esto último, para garantizar las condiciones de maniobrabilidad durante los escenarios de línea recta, giro y ante condiciones poco favorables del terreno como son: baches, topes, deslizamientos entre otros. Con la finalidad de eliminar la línea del eje y diferencial mecánico, aumentar la seguridad, maniobrabilidad, eficacia y rendimiento del vehículo terrestre; se ha explorado el reemplazo del DM con un análogo eléctrico. Los méritos del diferencial eléctrico son: eliminación del eje de transmisión, energéticamente más eficiente, mayor espacio interior, mínima distancia del suelo y más estabilidad. En general el diferencial eléctrico (DE) puede ser implementado con un par de motores eléctricos acoplados directamente en las llantas o dentro de ellas (configuración in-wheel). Algunas características del DE logra la misma velocidad en línea recta, en un giro, el controlador de velocidad aplica menos poder a la rueda interior, el sistema rechaza cambios de carga durante todas las condiciones de manejo. El diagrama a bloques que comprende las tres etapas del sistema se muestra en la Figura 1. Puede observarse que hace uso de una estrategia de sincronización, una ganancia diferencial, y la retroalimentación en velocidad de un par de motores de asíncronos (inducción). Puede observarse que esta configuración puede ser empleada para tracción delantera o trasera de un vehículo de combustión interna, diésel o eléctrico. w1 Velocidad de referencia w2 Estrategia de Sincronización Drive CA M1 Drive CA M2 Ganancia Diferencial Angúlo de manejo Diferencial eléctrico inteligente Figura 1. Diferencial eléctrico. Página 49 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales 4. Configuración híbrida AMI (pudiendo ser serie o paralela). 5. Configuración híbrida 1, 2, y 3, “enchufe”. Para incentivar el desarrollo de este tipo de MES, del 1-3 de Mayo del 2007 se celebró la primera competencia anual de Fórmula Híbrida (Formula Hybrid) en New Hampshire International Speedway, Loudon, NH. La cuál fue patrocinada por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) y el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). Las universidades registradas y que asistieron al evento fueron la Thayer School of Engineering en Dartmouth, Embry-Riddle Aeronautical University of Daytona Beach, FL, Illinois Institute of Technology (IIT), Colorado State University, Florida Institute of Technology, Yale University, McGill University, y Drexel University. Figura 2. Sistema implementado. La Figura 2 muestra la implementación del DE en un sistema de tracción trasera de un boggy utilizado como sistema de pruebas. Para este proyecto se dimensionaron y diseñaron cada uno de los inversores utilizados en el controlador de los motores de inducción [2-3]. III. FORMULA HYBRID El concepto de MES en aplicaciones vehiculares se ha extendido significativamente con la introducción al mercado en 1997 del Toyota Prius. Los principales motivos para desarrollar vehículos eléctricos (VE), vehículos eléctricos híbridos (VEH), VEH del tipo enchufe (PVEH) varían desde económicos, energéticos y ambientales. En particular las ventajas del PVEH sobre EV y VEH son: a) mayor rendimiento de combustible, b) reducción de emisiones contaminantes y c) la capacidad de almacenar y vender energía eléctrica a la red de distribución. En general los VEH combinan dos o más fuentes de energía distintas con la finalidad de mover al vehículo con la mayor eficiencia posible. Generalmente, estos vehículos son propulsados por un motor de combustión interna (MCI) y una máquina eléctrica (ME), consumiendo gasolina o diesel del tanque de combustible y energía eléctrica del banco de baterías para su funcionamiento. De acuerdo a la forma de administrar la potencia de las fuentes de energía (MCI y ME) y a su colocación en el vehículo, los VEH se pueden clasificar por el tipo de configuración híbrida utilizada, siendo las más comunes: serie, paralela, serie/paralela, AMI (Alternador y Marcha Integrada) y todos los anteriores en su versión “enchufe”. Las características generales de los VEH son: ahorro de combustible, reutilización de energía (frenado regenerativo) y una mayor eficiencia energética comparada con la de su análogo convencional. La literatura actual reporta la existencia de diversas configuraciones híbridas para VEH, las más comunes son [4], 1. Configuración híbrida serie. 2. Configuración híbrida paralela. 3. Configuración híbrida serie/paralela. ISBN: 978-607-00-8778-3 La Fórmula Híbrida tiene la particularidad de integrar en un proyecto interdisciplinario y teórico-práctico a estudiantes de licenciatura y posgrado de diversos programas; tales como: mecánica, eléctrica, electrónica, control, computación, y negocios. Algunos retos que deben ser solucionados en este tipo de proyectos incluyen el diseño, modelado, simulación numérica e implementación de: a) convertidores electrónicos de potencia, b) controladores de motores eléctricos, c) estrategias de manejo de energía, d) tarjetas de acondicionamiento de señal, e) suspensión, f) frenos, g) chasis, h) sistema ergonómico, i) plan de negocios, entre otros. La Figura 3 muestra el PVEH desarrollado en el IIT llamado cohete rojo (red rocket). El cual es un PVEH en configuración serie híbrida y tiene las características listadas en la Tabla 1. Las pruebas realizadas durante los tres días del evento incluyeron aceleración, auto cros, y enduro. Durante la prueba de aceleración el prototipo alcanzo una aceleración máxima de 73kph, obteniendo un cuarto lugar general con 547.24 puntos. IV. VEHÍCULO ELÉCTRICO DE CELDA DE COMBUSTIBLE El desarrollo de los vehículos eléctricos (VE) para uso como sistema de transporte no es un tema nuevo, los primeros VE aparecieron a finales del siglo XIX. A pesar de lo amigable de los mismos con el ambiente, su uso masivo ha sido limitado principalmente por el rango entre carga y recarga de sus baterías. En la actualidad no hay una configuración ideal para cualquier tipo de aplicación que utilizando solamente una fuente de energía provea el mismo desempeño que un vehículo de combustión interna (ICE). TABLA 1. CARACTERÍSTICAS DEL PVEH, COHETE ROJO, IIT. Componente Descripción Tipo de combustible Gasolina Motor de combustión Kawasaki Ninja interna 250cc / 28HP @ 12,500 RPM Motor eléctrico Azure Dynamics AC24 300V / 40HP @ 4,500 RPM Controlador de motor Azure Dynamics / DMOC445 Generador AC PM 20kVA @ 6000 RPM Baterías 230 V / 15Ah Li-ion battery pack Peso 940 libras Página 50 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Figura 4. Diagrama eléctrico del sistema de tracción propuesto. Figura 3. Cohete rojo, IIT. La Figura 4 muestra el diagrama a bloques del sistema de tracción propuesto [5-6], este sistema está dividido en cinco secciones. La primera sección es una celda de combustible como principal fuente de energía que provee la potencia promedio demandada por el VE. Una limitante de este tipo de fuente de energía es que su nivel de voltaje es variable y depende de la corriente que se le demande. Razón por la cual la segunda sección consiste de un convertidor boost del tipo interleaved, dos piernas en paralelo con dos inductores operando en contra-fase. Este convertidor tiene las ventajas de: a) proveer un voltaje constante de salida, y b) reducir el rizo de corriente demandado a la celda de combustible, reduciendo las pérdidas de potencia de la celda de combustible, limitando su calor generado y aumentando la vida útil de la fuente principal de energía. La tercera sección se tiene un arreglo de SC, los cuales proveen y reciben la potencia durante la aceleración o frenado, respectivamente. La combinación de la sección dos y tres permite diseñar al convertidor de corriente directa a corriente directa (CD/CD) a un nivel de potencia promedio requerido por el VE y no a la máxima potencia requerida por el VE; como consecuencia se tiene una menor dimensión física. Asimismo, se logra un desacoplo de la potencia requerida por el VE y la proporcionada por la celda de combustible (vía el convertidor CD/CD) y los SC. Esto último debido a que los SC operan como un almacén de energía y por lo tanto desacopla fuertemente el CD/CD del convertidor de corriente directa a alterna (CD/CA). Como cuarta sección se tienen un par de inversores en paralelo que a su vez controlan a dos motores de inducción, en los cuáles se implementó el diferencial eléctrico discutido en la sección II. La última sección del sistema propuesto consiste en un controlador principal, el cuál tiene la función de emitir la señal de referencia de control del convertidor CD/CD basada en las estrategias de manejo de energía; así como de implementar el control por orientación de campo (FOC) de los motores de inducción y el diferencial eléctrico [5-8]. ISBN: 978-607-00-8778-3 V. DISCUSIÓN A lo largo del desarrollo de proyectos relacionados con los MES, en la diversas universidades y centros de investigación Nacionales, Europeos y de Norteamérica. Se han logrado detectar cuatro requisitos necesarios para la gestión, administración y buen término de tales proyectos. Los requisitos fundamentales son [9-11], 1. 2. 3. 4. Infraestructura: propia y/o compartida vía algún consorcio nacional y/o internacional. Experiencia: en alguna o todas las áreas de I+D+i. Colaboración: entre la industria, gobierno, universidad, centro de investigación y departamentos. Recurso humano: en los niveles medio superior, superior, y posgrado. La interrelación de los cuatro requisitos listados anteriormente, provee un mayor porcentaje de éxito en los proyectos de I+D+i. Asimismo y como parte del ciclo de I+D+I, se ha detectado que las etapas de generación, aplicación y divulgación del conocimiento son cinco. Las cuales son: 1. 2. 3. 4. 5. Ciencia básica (CB). En esta etapa se dan las bases de nuevo conocimiento. Publicaciones. Las publicaciones pueden ser en forma de artículos científicos/ tecnológicos/ divulgación, presentaciones en congreso, reseñas, capítulos de libro, libros, entre otros. Desarrollo tecnológico. Este punto es parte primordial para el financiamiento de cualquier laboratorio y es la generación de tecnología basada en CB. Desarrollo curricular. Como parte del proceso de avance de la I+D+i, es fundamental que los nuevos descubrimiento, o desarrollo de nuevas técnicas sean compartidas con la sociedad. Enseñanza. Como parte final del ciclo de I+D+i está el impartir los nuevos descubrimiento, o desarrollo de Página 51 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales nuevas técnicas en la formación del nuevo talento humano (TH). VI. CONCLUSIONES Este artículo ha presentado las experiencias recabadas en los últimos doce años en el desarrollo de MES. A lo largo de este tiempo se han realizado aportaciones en los siguientes temas: diferencial eléctrico, vehículo híbrido de competencia, yvehículo eléctrico con celdas de combustible. Asimismo, se ha recapitulado las condiciones necesarias para desarrollar este tipo de proyectos. De igual manera, se han listado los beneficios e impactos científicos, tecnológicos y sociales que el desarrollo de tales proyectos aporta a la sociedad. En la actualidad los MES se han diversificado así como los métodos de I+D+i y de enseñanza de los mismos, por lo que se vislumbra un mayor crecimiento de los mismos. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] F. J. Perez-Pinal, El Vehículo Eléctrico: Consideraciones y Etapas de su Diseño (The Electric Vehicle: Design Stages Considerations). Spain: Editorial Academica Española, 2011. F. J. Perez-Pinal, C. Nunez, R. Alvarez, I. Cervantes, and A. Emadi, “Electric differential for traction applications,” in Proc. 2007 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conf., Austin, TX, Sept. 2007, pp. 771 776. F. J. Perez-Pinal, I. Cervantes, and A. Emadi, “Stability of electric differential for traction application,” IEEE, Trans. Veh. Technol., vol. 58, no. 7, pp. 3224-3233, Sept. 2009. F. J. Perez-Pinal, J. C. Kota-Renteria, J. C. Nuñez-Perez, and N. AlMutawaly, “Hybrid conversion kit applied to public transportation: a taxi case solution,” Int. Review of Modelling and Simulations, IREMOS, vol. 6, no. 2, pp. 554-559, Apr. 2013. F. J. Perez-Pinal, C. Nunez, R. Alvarez, and M. Gallegos, “Step by step design of the power stage of a light electric vehicle,” Int. Review of Elec. Eng., IREE, vol. 3, no.1, pp. 100-108, Jan. - Feb. 2008. F. J. Perez-Pinal, C. Nunez, R. Alvarez, and I. Cervantes, “Power management strategies for a fuel cell/ supercapacitor electric vehicle,” in Proc. 2007 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conf., Austin, TX, Sept. 2007, pp. 605 - 609 F. J. Perez-Pinal, C. Nunez, R. Alvarez, and M. Gallegos, “Step by step design procedure of an independent-wheeled small EV applying EVLS,” ISBN: 978-607-00-8778-3 in Proc. 32nd IEEE Ind. Electron. Ann. Conf., Paris, France, Nov. 2006, pp. 1176 - 1181. [8] I. Cervantes, F. J. Perez-Pinal, and A. Mendoza-Torres, “Hybrid control of DC-DC power converters,” in Renewable Energy, T. J. Hammons, Ed. Vukovar, Croatia: In-Tech Education and Publishing, 2009, pp. 197210. [9] F. J. Perez-Pinal, “An integrated electric vehicle curriculum,” in Electric Vehicles/ Book 1, S. Soylu, Ed. Vukovar, Croatia: In-Tech Education and Publishing, 2011, pp. 217-240. [10] F. J. Perez-Pinal, J. C. Nuñez-Perez, and I. Araujo-Vargas “Power protection and management course for an electrical engineering technology program,” Int. Journal on Information Tech., IREIT, vol. 1, no.5, pp. 278-284, September 2013. [11] F. J. Perez-Pinal, N. Al-Mutawaly, and J. C. Nuñez-Perez, “Distributed generation and smart grid course for an electrical engineering technology program,” Int. Review of Modelling and Simulations, IREMOS, vol. 6, no.3, pp. 842-851, Junio 2013. Dr. Francisco Javier Pérez Pinal. Ha laborado como profesor investigador en instituciones como McMaster University (Canadá), Mohawk College of Applied Arts and Technology (Canadá), Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (México) y el Instituto Politécnico Nacional (México). Ha realizado estancias de investigación en Manchester University (UK) y el Illinois Institute of Technology (USA). Actualmente es autor/co-autor de un libro, y más de cuarenta y dos artículos en revistas y/o congresos internacionales. Sistema Nacional de Investigadores, Investigador Nacional Nivel 1, CONACYT (2014).Primer lugar, Mejor Tesis Doctoral, área de eficiencia energética, IIE, CFE, FIDE, México (2009). Premio Nacional de Energía Renovable, área de innovación, Secretaria de Energía, SENER, México (2008). Becario COMEXUSFulbright Garcia-Robles (2006). Ha dirigido/co-dirigido doce proyectos científicos y tecnológicos (públicos y privados) relacionados con la industria aeronáutica, automotríz y eléctrica con un monto total acumulado de cuatro millones de dólares. Página 52 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Modelado y Simulación de un Motor Diesel Sobrealimentado Flora V. Ubaldo J. Hernández R. Fernando Chaparro S. Ricardo Rangel M. Domingo Meléndez R. Manuel UTEQ, Querétaro, México CIDESI, Querétaro, México UAQ, Querétaro, México UNAM, Querétaro, México UTEQ, Querétaro, México [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] RESUMEN En este trabajo se presenta la propuesta de un modelo discreto multivariable simplificado de un motor de combustión interna diesel sobrealimentado. El modelo propuesto se obtuvo a partir de un modelo base desarrollado considerando los parámetros dinámicos que describen su funcionamiento, así como relaciones experimentales en un banco de pruebas. Para la identificación de los parámetros se utilizaron modelos paramétricos de identificación y mínimos cuadrados para obtener los parámetros del modelo discreto. Se consiguió un ajuste del 89.4% para la presión del aire en el colector de admisión (P-aire) y un 82.17% para el flujo másico de aire en la salida del compresor (ma-aire). Este modelo ayudará a conseguir un control óptimo de las variables P-aire y ma-aire que a su vez permitirá minimizar las emisiones contaminantes. Palabras clave – Modelo discreto multivariable, motor diesel sobrealimentado, identificación de parámetros. I. INTRODUCCIÓN 1.1. Antecedentes En los últimos años ha ido en aumento la preocupación a nivel mundial de los temas relacionados con el calentamiento global, calidad del aire en las ciudades, lluvias ácidas y efecto invernadero, y desde luego sus repercusiones en la salud de la población y medio ambiente. El gran incremento poblacional ha traído consigo el acelerado crecimiento de la industria para satisfacer sus demandas, como consecuencia se ha visto un aumento considerable en la fabricación de vehículos que consumen derivados del petróleo, tanto de carga ligera y como pesada. El impacto al medio ambiente ha sido considerable, debido a las emisiones contaminantes a la atmósfera tal como CO, CO2, NOx (NO y NO2), HC, partículas (PM). Los vehículos automotores juegan un papel importante por la cantidad de ellos que circulan diariamente. La Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales ha publicado a través del diario oficial (10 de febrero de 2003) que podrán importarse los vehículos automotores equipados con motores Diesel siempre y cuando ostenten las especificaciones contenidas en las Normas de la Agencia de ISBN: 978-607-00-8778-3 Protección Ambiental de los Estados Unidos de América, denominadas EPA 1998 y EPA 2004 o en las Normas Europeas denominadas Euro III y Euro IV (Semarnat, 2003) La EPA ha provisto de estándares para vehículos diesel de carga pesada. Los parámetros de emisión permitidos del 2010 en adelante (g/bhp-hr): HC:0.14, CO:15.50, NOx: 0.20, PM:0.01, (EPA, 2002). Cada vez es más difícil por parte de los fabricantes de vehículos cumplir con las restricciones marcadas por las autoridades ambientales, por lo que día con día utilizan la tecnología de vanguardia para obtener modelos más exactos de los motores de combustión interna que les permitan optimizarlo. 1.2. Estado del arte Enseguida se comentan algunos estudios relacionados con este tema, los cuales permitirán conocer las tendencias actuales en este campo de investigación. J Wahlström et. al (2011) desarrollaron, parametrizaron y validaron el modelo de un motor diesel sobrealimentado con turbina de geometría variable (VGT) y recirculación de gases de escape (EGR). Dicho modelo se desarrolló en Simulink de Matlab y los parámetros fueron estimados utilizando técnicas de optimización de mínimos cuadrados. La validación del modelo presentó un error medio del 5.8 por ciento en las variables medidas. J W Mann (2011) realizó un análisis del desempeño de un motor diesel con turboalimentación dual en aplicación submarina, comparándolo con otros tipos. Encontró que el motor turboalimentado presentaba mayores variaciones en su desempeño con un consumo específico de combustible marginalmente mejor que un motor superalimentado aunque, este último, más estable a las variaciones de entrada. El motor con doble turboalimentación fue menos estable que el de turboalimentación simple, pero ofreció un mejor consumo de combustible, mayor torque y potencia, aunque mayor inestabilidad en la velocidad. Técnicas de lógica difusa y Neuro-Fuzzy fueron empleadas por Lee et. al (2005) para modelar el comportamiento de la atomización del diesel y así mejorar la mezcla de airecombustible con la consecuente disminución de emisiones contaminantes. Se utilizó la medición de presión en el cilindro, la densidad del aire y temperatura como entradas Página 53 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales principales, y la longitud de penetración como la salida. Los resultados conseguidos arrojaron un coeficiente de correlación de 0.997, lo que significa que el modelo describió al proceso en un 99.7%. También considerando el trabajo de Avinash et. al (2004), la EGR (Recirculación de los gases de escape) se presenta como una alternativa para disminuir las emisiones contaminantes. En los motores diesel la formación de NOx está fuertemente relacionada la temperatura de la cámara de combustión, sobre todo cuando la temperatura rebasa los 2000 K. Se concluye que el EGR de 0-21% favorece el decremento de la temperatura de los gases de escape con la consecuente disminución de NOx. d) Colector de escape. Ensanchamiento existente a la salida de los cilindros en el que se acumulan de forma temporal los gases de escape, y que conecta con la turbina y con el EGR. e) Circuito de EGR. Es un tramo de tubo con una válvula de apertura variable (válvula de EGR) que conecta el colector de escape con el de admisión. A través de este arreglo mecánico se lleva a cabo la recirculación de los gases de escape hacia el colector de admisión (EGR). f) Turbina. Es una máquina térmica que utiliza la temperatura y presión de los gases de escape para generar la energía mecánica y mover el compresor. Salcedo et. al (2001) desarrollaron un modelo lineal multivariable de un motor diesel sobrealimentado y con EGR. Aplicando métodos de identificación de sistemas y tomando como base el modelo descrito en el punto 2.3, donde se toman como entradas la apertura de las válvulas TGV y EGR, y como salidas Pa (Presión en el colector de admisión) y ma (Gasto másico entregado por el compresor), se obtiene un modelo continuo y multivariable: Fig. 1. Motor diesel con turbocompresor, Salcedo et. al (2001). 2.2. Identificación de Sistemas (1) Es un modelo sencillo donde las funciones de transferencia son de primero y segundo orden. II. IDENTIFICACIÓN Y MODELO DEL MOTOR DIESEL SOBREALIMENTADO 2.1. El Motor Diesel Sobrealimentado Dentro de los motores diesel el sobrealimentado con EGR es de los más utilizados, por las prestaciones que ostenta. El motor diesel con turbocompresor en su forma básica está compuesto de los elementos mostrados en la figura 1, los cuales se describen a continuación (Salcedo et. al 2001): a) Compresor. Este dispositivo tiene la función de incrementar la presión del aire admitido, haciendo posible la alimentación de una mayor cantidad de aire fresco hacia el interior de los cilindros del motor. b) Interenfriador (Intercooler). Consiste en un intercambiador de calor, cuya finalidad es enfriar el aire que sale del compresor antes de ser ingresado a los cilindros, a menor temperatura disminuye la densidad por lo que una mayor cantidad se podrá introducir en los cilindros. c) Colector de admisión. Se puede ver como la parte del proceso donde se lleva a cabo la mezcla del aire saliente del interenfriador y de los gases recirculados desde el escape (EGR). ISBN: 978-607-00-8778-3 La identificación de sistemas consiste en obtener de forma experimental un modelo que reproduzca el proceso con suficiente exactitud para los fines deseados, tomando en cuenta las características dinámicas del mismo (López, 2008). Para la identificación de sistemas se suele seguir algún procedimiento como el presentado en la figura 2. a) Recopilación y análisis de datos. En esta etapa se recaba la información de las entradas y salidas del sistema. Para que la información de salida sea útil, se debe excitar el sistema con una señal de entrada, las cuales pueden ser ruido analógico o secuencias binarias seudo-aleatorias (SBSA). Enseguida se preparan los datos, se lleva a cabo una depuración en la que se eliminan ruidos indeseados o algún tipo de anormalidad en los datos. b) Selección de la estructura del modelo. Existen varios tipos de modelos paramétricos estándar que han sido ampliamente probados, entre los cuales se encuentran: ARX (Auto-regresivo y variable exógena), OE (Error en la Salida), ARMAX (Auto-regresivo con promedio móvil exógeno), BJ (Box Jenkins). En la figura 3 se presentan los modelos ARMAX y OE, donde q-1 es el operador retardo, la entrada del sistema es u(t); e(t) es el ruido de entrada y la salida de interés es y(t). c) Selección del modelo de ajuste de parámetros. En seguida se procede a la estimación de los parámetros de la estructura que mejor ajustan la respuesta del proceso. Página 54 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales d) Obtención del modelo y validación. Una vez que se ha obtenido el modelo, el paso final consiste en determinar si dicho modelo satisface el grado de exactitud necesario para la aplicación. En caso de que no sea válido se deben revisar los incisos a, b y/o c, según sea el caso, y determinar si los datos proporcionan suficiente información de la dinámica del proceso, si la estructura del modelo seleccionada da una buena descripción o si el criterio de ajuste es el adecuado. 1. 2. 3. Gasto másico de aire entregado por el compresor (ma) Presión en el colector de admisión (Pa) Gasto másico recirculado por EGR (mEGR) 2.4. Desarrollo del modelo propuesto La identificación del proceso se llevó a cabo utilizando el System Identification ToolBox 7.3 de MatLab. Los datos se obtuvieron a partir del modelo descrito en el punto 2.3. Para este trabajo se utilizó un modelo multivariable como el que se muestra en la figura 4. Se consideraron las variables TGV y EGR como entradas simultaneas del modelo y como salida Paire, solamente, después se consideraron las mismas entradas y la salida ahora fue ma-aire. Se observó una mejor aproximación para esta disposición, comparado con el resultado de configuraciones diferentes tal como el de SISO (una entrada una salida). Fig. 2. Metodología de identificación. Fig. 4. Modelo compacto utilizado para la identificación del sistema. Fig. 3. Estructura OE (izquierda) y Estructura BJ (derecha) 2.3 Modelo de referencia en Simulink El modelo que se utilizó como base para este trabajo es el desarrollado por el Departamento de Motores Térmicos de la UPV (Salcedo, et. al, 2001). Dicho modelo ha sido diseñado con base en la aplicación de ecuaciones físicas, de balances de materia y energía, así como relaciones experimentales obtenidas por ajuste de datos obtenidos en el banco de pruebas. Se programaron en Simulink de MatLab los bloques que contienen las ecuaciones que describen el comportamiento de cada uno de los elementos (véase la figura 1) que forman parte del motor de combustión interna diesel. Para llevar a cabo la simulación es posible modificar las variables siguientes: 1. 2. 3. 4. 5. 6. La entrada de excitación utilizada fue una Secuencia Binaria Seudo-Aleatoria para TGV y EGR. Se tomaron 50,000 muestras con un periodo de muestreo Ts=0.01s. El cambio de valor de las señales de entrada se limitó a un mínimo de 10 segundos para dar oportunidad que el sistema respondiera. En la fase de análisis y depuración de datos se desecharon los primeros 5,500, el lote de datos escogido se dividió en dos, la primera mitad se utilizó para la obtención del modelo y el resto se dejó para la validación del mismo. 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Una de las estimaciones se llevó a cabo con la estructura BJ. La validación del modelo se hizo comparando la salida del modelo obtenido con los datos medidos, el resultado se presentan en la figura 5. Régimen de giro del motor (N) Gasto másico de combustible Apertura EGR Apertura TGV Temperatura a la salida del intercooler (T2b) Temperatura del aire exterior (Ti) Las variables de salida más importantes que proporciona este modelo son: ISBN: 978-607-00-8778-3 Fig. 5. Comparación entre el modelo obtenido con la estructura BJ y los datos medidos. Página 55 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Se puede ver una aproximación con un 51.48% para la Presión de aire (P-aire) y un 75.93% para el flujo másico del aire (ma-aire). El tipo de modelo que entregó una mejor aproximación fue el del Error en la Salida, consiguiendo un ajuste del 89.4% para P-aire y del 82.17% ma-aire. La segunda estimación se realizó con la estructura OE (error en la salida). La validación se realizó comparando la salida del modelo obtenido con los datos medidos, el resultado se presenta en la figura 6. Las aproximaciones conseguidas fueron del 89.4% y 82.17% para P-aire y maaire, respectivamente, además se observa que el error va disminuyendo a medida que transcurre el tiempo. El modelo discreto obtenido se presenta en la figura 7. Este procedimiento se puede llevar a cabo para la identificación en laboratorio de un Motor de Combustión Interna Diesel Sobrealimentado. El modelo obtenido se podrá utilizar para el diseño de controladores que permitan regular de manera eficiente la apertura de las válvulas TGV y EGR, manteniendo las variables P-aire y ma-aire en los niveles óptimos marcados en los mapas de fabricación, mismos que están calibrados de acuerdo a los niveles de emisiones contaminantes permitidos por las leyes ambientales. 5. REFERENCIAS Aguado B. A., 2000, Temas de identificación y control adaptable, La Habana, ICIMAF, 313p. Avinash Kamur Agrawal, Shrawan Kumar Singh, Shailendra Sinha y Mritunjay Kumar Shukla, 2004, Effect on the exhaust gas temperature and exhaust opacity in compression ignition engines, Sadhana 29(3): 275-284. Fig. 6. Comparación entre el modelo obtenido con la estructura del Error en la Salida y los datos medidos. EPA (United States of Enviromental Protection Agency), 2000, Applicability and Test Cycles. http://www.dieselnet.com/standards/us/hd.html, Consulta hecha el 22/Ago/2014. Lee S. H., Howlett R.J., Walters S.D. y Drua C., 2005, Fuzzy Logic and Neuro-fuzzy Modelling of Diesel Spray Penetration, In: KES 2005, 14-16 September 2005, Melbourne, Australia. López M. E., 2008, Identificación al modelado de un motor de continua, Universidad de Alcalá, Madrid. www.depeca.uah.es/docencia/INGECA/ctr_avz/Identif.PDF, Consulta hecha el 7 Enero de 2008. Mathworks Inc., 2009, Manual de referencia de MatLab. Fig. 8. Modelo multivariable del motor de combustión Interna Diesel Sobrealimentado. Miller T.C., Jackson M.A., Brown A.J. y Wong V.W., 1997, Prevention of Air Pollution from Ships: Diesel Engine Particulate Emission Reduction via Lube-Oil-Consumption Control, ASNE Environmental Symposium. Salcedo J.V., Blasco X., Martínez M. y García J.V., 2001, Modelado y control en Simulink de un motor diesel sobrealimentado, in: XXII Jornadas de Automática, España. Salcedo J.V. y Martínez M., 2007, LPV identification of a turbocharged diesel engine, Applied Numerical Mathematics, (doi:10.1016/j.apnum.2007.09.005). La estructura de OE favoreció notablemente los resultados de la identificación, se consiguió una mejora de más del 50% en Pa-aire y aproximadamente del 10% en el caso de ma-aire, como puede verse en las fig. 5 y 6, respectivamente. Además, se aclara que el grado de los modelos obtenidos con la estructura BJ fue considerablemente mayor. 4. CONCLUSIONES SEMARNAT (Secretaria del Medio Ambiente y Recursos Hidráulicos), 2003, Acuerdo-NOM-044-ECOL-10-FEB-03, www.semarnat.gob.mx/leyesynormas/normasoficialesmexicanasvigentes/At msfera/ACUERDO-NOM-044-ECOL-10-FEB-03.pdf, Consulta hecha el 15 Octubre de 2007. Johan Wahlström and Lars Eriksson, Modelling diesel engines with a variable-geometry turbocharger and exhaust gas recirculation by optimization of model parameters for capturing non-linear system dynamics, 2011, Proceedings of the Institution of mechanical engineers. Part D, journal of automobile engineering, (225), 7, 960-986. http://dx.doi.org/10.1177/0954407011398177 J W Mann, BMT Defence Services, UK, 2011, Twin-Turbocharged Diesel Performance under Snorkelling Conditions. BMT Defence Services Ltd. El objetivo de este trabajo se cumplió al conseguir aproximaciones superiores al 80% de ajuste, considerando que el proceso es multivariable y no lineal. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 56 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Diseño y Construcción del Prototipo de un CNC de tres ejes Gómez Juan P. UTEQ, Querétaro, México Hernández Z. Raúl UTEQ, Querétaro, México [email protected] [email protected] Flora V. Ubaldo J. UTEQ, Querétaro, México [email protected] RESUMEN Este trabajo presenta el diseño y construcción de un prototipo de CNC de tres ejes para fines didácticos. Se utilizaron referencias técnicas de hardware/software para la generación computacional de trayectorias de la herramienta en procesos de mecanizado asistido por computador. Se utilizaron herramientas de CAD tal como SolidWorks para el diseño mecánico, en lo que respecta al controlador se presenta una aplicación para un CNC con un sistema basado en FPGAs de acuerdo con el algoritmo “Digitalización Virtual”, esta característica ha permitido el desarrollo de un dispositivo reconfigurable para aplicar los algoritmos en control numérico por computadora (CNC). Se obtuvieron errores en la medición de las posiciones menores a 0.3 mm. Palabras clave – CNC, CAD, Digitalización virtual 1. INTRODUCCIÓN El diseño y construcción de máquinas automáticas es un proceso de desarrollo tecnológico que integra e involucra diversas técnicas, herramientas y metodologías de ingeniería. El diseño y la construcción de herramientas CNC han ocupado diversos espacios de investigación y desarrollo tecnológico. Algunos de los referentes más importantes que anteceden el progreso del presente proyecto son: la arquitectura de hardware/software (Cuenca, et ál., 2007, pp. 96-97) para la generación computacional de trayectorias de la herramienta en procesos de mecanizado asistido por computador presenta una aplicación para un CNC que incorpora un desarrollo basado en FPGAs de acuerdo con el algoritmo “Digitalización Virtual”, estas tendencias han permitido el desarrollado dispositivos reconfigurables para aplicar los algoritmos en control numérico por computadora (CNC). Estos ofrecen un rendimiento alto de ejecución de la programación CNC y la flexibilidad para el diseño del sistema. Un antecedente, lo constituye una propuesta con Redes Neuronales Artificiales (Sick, 1997, p. 3381) para estimar el desgaste de las herramientas de corte. Plantea un sistema en el cual los parámetros de entrada de las redes son aquellos específicos del proceso (como la velocidad o la profundidad de corte) y coeficientes característicos extraídos de las señales de medida con un sistema de sensores múltiples en el portaherramientas. ISBN: 978-607-00-8778-3 Vega Federico UTEQ, Querétaro, México [email protected] Reyes José M. UTEQ, Querétaro, México [email protected] Hernández David A. UTEQ, Querétaro, México [email protected] Martínez J.C. et. al (2010) construyeron un prototipo de Torno CNC de Uso Didáctico con resultados muy aceptables, realizaron un modelo cinemático y dinámico del sistema a detalle, se utilizaron encoders para enviar la posición a los microcontroladores que realizaron el cálculo del PWM que a su vez controlaba el movimiento de los motores. 1.1. Robot Cartesiano de tres ejes “El control numérico o máquina de control numérico (CNC) puede designarse como una máquina que es mandada por órdenes de letras y números”. En general un CNC gobierna 3 tipos de movimientos [2]: Movimientos de cabezal y ejes (carros), cambios de herramientas y piezas y, los valores de avances y revoluciones. Cuando se habla de máquinas CNC en general se habla de sistemas en los cuales las instrucciones se dan a una máquina de manera numérica, donde los números identifican instrucciones que permiten realizar movimientos coordinados para realizar de manera automatizada y con la mayor precisión posible. En general este tipo de sistemas, independientemente el tipo con el que se trabaje se los han desarrollado de manera paralela con un software de CNC propio de este tipo de maquinaria, el cual identifica las diferentes órdenes de movimiento para cada uno de los ejes (X,Y,Z), permitiendo de esta manera efectuar movimientos coordinados, giros, perforaciones, etc. 1.2. Tecnología de FPGAs. Las FPGA (Field Programmable Gate Array) son el resultado de la convergencia de dos tecnologías diferentes, los dispositivos lógicos programables (PLDs [Programmable Logic Devices]) y los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC [Application-Specific Integrated Circuit]). La historia de los PLDs comenzó con los primeros dispositivos PROM (Programmable Read-Only Memory) y se les añadió versatilidad con los PAL (Programmable Array Logic) que permitieron un mayor número de entradas y la inclusión de registros. Se combinan las estrategias con un mecanismo de interconexión que pudiese programarse utilizando fusibles, antifusibles o celdas RAM y celdas ROM, como los innovadores dispositivos Xilinx de mediados de los 80. Los circuitos resultantes son similares en capacidad y aplicaciones a los PLDs más grandes, aunque hay diferencias puntuales que delatan antepasados diferentes. Además de en computación reconfigurable, las FPGAs se utilizan en Página 57 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales controladores, codificadores/decodificadores y en el prototipado de circuitos VLSI y microprocesadores a medida. El primer fabricante de estos dispositivos fue Xilinx y los dispositivos de Xilinx se mantienen como uno de los más populares en compañías y grupos de investigación. Otros vendedores en este mercado son Atmel, Altera, AMD y Motorola. Ethernet. y una fuente de alimentación de 24v. Los Gearmotor se conectaron con los módulos NI 9505 siguiendo el manual de cada elemento, se ocuparon 3 conectores DB9, cable y una fuente de tensión de 12vcc 5A. 2. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 2.1. Diseño y Especificación de Hardware. En esta fase del proyecto se utilizó el sistema CAD SolidWorks llevando a cabo el diseño de las piezas mecánicas, los materiales utilizados fueron aluminio y nylamid. El área de trabajo es de 20cm x 20cm. Fig. 2. Diagrama de conexión de los motores a los módulos NI9505. 2.2. Programación de software. Fig. 1. Sistema cartesiano de tres ejes X,Y,Z. Se utilizaron tres los motores de CD con reductor de la marca: Gearmotor 37Dx57L mm con Encoder (64 CPR). Se especificaron guías con cuerdas ACME para mejorar la precisión de los movimientos. El equipo de control es de la Marca NI: a. Chasis C.RIO 9074 de NI con las siguientes características:  Procesador industrial en tiempo real de 400 MHz para control, registro de datos y análisis  Chasis FPGA con compuertas de 2M y 8 ranuras, para temporización, control y procesamiento de E/S personalizados  Dos puertos Ethernet 10/100BASE-T; puerto serial RS232 para conexión a periféricos b. Cinco Módulos 9505 de NI de drive servo de DC de escobillas con puente H completo con las siguientes características:  Corriente continua hasta 5 A a 40 °C (o 1 A a 70 °C) a 30 V.  Drive de servo motor con puente H completo con una interfaz de codificador y sensor de corriente integrados. 2.2. Ensamble eléctrico. La comunicación entre el controlador, NI-cRIO-9074, y el equipo de cómputo se llevó a cabo utilizando un cable ISBN: 978-607-00-8778-3 Como HMI (Interfaz Hombre Máquina) se optó por un software de desarrollo común dentro de la Universidad, LABVIEW de NI, es un programa de aplicación ampliamente difundido y usado por estudiantes. Esta plataforma de desarrollo gráfico cuenta con los Toolkit REAL TIME, FPGA, MOTION y PID, utilizados en la implementación del presente proyecto. El programa de control basado en esta tecnología C.RIO de NI usando LABVIEW se desarrolló considerando los criterios siguientes. -El programa del FPGA está limitado al número de compuertas del mismo, debiendo de tomar en cuenta el tamaño y tipo de registros con el fin de optimizar su uso. Las funciones que se programaron en el FPGA son las siguientes:  Generación de trayectorias.  Lectura y parametrización del ENCODER  Generación de lazos de control PID. Cabe destacar que el programa tarda varios minutos en compilar dependiendo del tamaño del algoritmo y capacidad del equipo de cómputo donde se realice la compilación. -El programa que se ejecutará dentro de la PC debe incluir aquellos procesos que no requieran velocidades elevadas de ejecución como son:  Interface gráfica con el usuario  Almacenamiento de datos  Análisis de resultados. Página 58 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Se realizó el control de los motores con un VI, fig. 3, el cual se encarga de activar los motorreductores, y además cumple con las tareas de controlar la velocidad, se tiene un PID para controlar la posición de cada motor, ver la fig. 5. Fig. 5. Lazo de control PID en FPGA 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El prototipo de CNC de tres ejes se implementó completamente, consiguiendo un error en los desplazamientos de los ejes, menor al 0.3%. La distribución de funciones entre el HMI y el FPGA resultaron ser factores importantes en el desempeño del sistema. El costo, comparado con un equipo comercial, se logró reducir en un 30%, considerando que el control se podría llevar a cabo completamente en el FPGA, nos llevaría disminuir los costos aún más. Las características del equipo de cómputo son un factor importante debido a la cantidad de información que se manejó. Fig. 3. VI con parámetros del PID en FPGA La lectura del Encoder se realiza comparando los canales A y B de cada motor, cuando es detectado un pulso en alto aumenta la cuenta, con esto se puede determinar la posición, se tiene una relación de 4200 cuentas = 1mm. Fig. 5. Prototipo de CNC de tres ejes Fig. 4. VI para leer los canales A y B de enconders. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 59 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales 4. CONCLUSIONES El objetivo de este trabajo se cumplió al conseguir errores, en el sistema, menores a 0.3mm. Este trabajo generó la experiencia para construir sistemas de mayores dimensiones y con mejores prestaciones. Se pudo constatar el buen desempeño y fiabilidad de los FPGAs en procesos de precisión. Este sistema permitirá realizar prácticas de manera integral con asignaturas de control y las de programación de dispositivos. 5. REFERENCIAS [1] Cuenca, S. et ál. (2007, 8 de agosto), “A Hardware/ Software Architecture for Tool Path Computation. An Application to Turning Lathe Machining” [conferencia], Embedded Computer Systems: Architectures, Modeling and Simulation, Alicante. [2] Cultura S.A., “Manual de Mecánica Industria – Máquinas y Control Numérico.” Cultural S.A., Madrid, España, 2002. [3] Sick, B. (1997), Monitoring the Wear of Cutting Tools in Cnc-Lathes With Artificial Neural Networks, Passau, University of Passau. [4] Martínez J.C. et ál. (2010), “Torno CNC de uso Didáctico: Prototipo Mecatrónico UCCNC01.” en Revista Ingeniería Solidaría, Vol. 6, núm. 10, pp. 8-18. [5] Bolton, W. (2006), Mecatrónica, sistemas de control electrónico en la ingeniería mecánica y electrónica, 3a ed., Mexico, Alfaomega. [6] Kuo, B. C. (1996), Sistemas de control automático, 7.ª ed., México, Prentice Hall. [7] Aprenda los fundamentos de FPGAs National Instruments, (Consulta realizada el 12 de mayo de 2014) http://www.ni.com/fpga/esa/ [8] OPERATING INSTRUCTIONS AND SPECIFICATIONS NI 9505 DC Brushed Servo Drive, (Consulta realizada el 2 de junio de 2014). http://www.ni.com/pdf/manuals/374211f.pdf ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 60 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Diseño de una plataforma robótica de 3 grados de libertad para la enseñanza en mecatrónica 1 Hugo R. Rios Isasi, 1 Martı́n Hernández-Ordoñez, 2 Roger Miranda Colorado, 1 Manuel B. Ortı́z Moctezuma [email protected], [email protected], roger miranda [email protected] y [email protected] Departamento de posgrado en Ingeniera, Universidad Politécnica de Victoria Cd. Victoria, Tamaulipas 1 CONACYT-Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnologı́a Digital2 Abstract—El presente trabajo es centrado en el desarrollo de una plataforma robótica que apoye a los estudiantes del área mecatrónica a comprender los fundamentos teóricos, análisis e implementación de un robot desde su concepción hasta su funcionamiento experimental. Se presenta el análisis cinemtico mediante matrices de transformación homogénea, la obtención del jacobiano con respecto al efecto final y se aplica un control desarticulado para lograr una trayectoria deseada. El desempeo de la plataforma da la posibilidad de validar resultados teóricos, tanto los análisis como la estrategia de control aplicada. I. I NTRODUCCI ÓN Un robot manipulador puede ser considerado como aquel dispositivo que puede efectuar distintas tareas asociadas al traslado de piezas o herramientas. Un robot es diseñado para una tarea o un conjunto acotado de ellas. La funcionalidad de los robots manipuladores se basan en el conocimiento de su cinemática, su dinámica y los objetivos de control que se pretendan abordar. En la actualidad, la aplicación de robot manipuladores en la industria se ha incrementado por las ventajas que traen en cuestión de seguridad e incremento en la producción. En un mundo de competencia es una necesidad tener recurso humano especializado en el diseño, programación, mantenimiento e implementación de robots manipuladores. Aún más, tareas complejas implica mejorar las estrategias de control para lograr los desempeños deseados. Instituciones de educación publica y privada nacionales han visualizado generar recurso humano competente a nivel mundial respecto al diseño, análisis e implementacin de robots manipuladores. Dicha tarea es difı́cil considerando que los sistemas robóticos incrementan su complejidad al aumentar el número de grados de libertad necesitados para la funcionalidad requerida. El presente trabajo aporta un caso de estudio que sirve como referencia para trabajos futuros con objetivos de mayor exigencia. II. M ETODOLOG ÍA A. Planteamiento del problema Dentro de la clasificación de los robots manipuladores se destacan 5 configuraciones básicas: cartesiana, cilı́ndrica, polar, SCARA y articulada. Se establece desarrollar una configuración articulada de 3 grados de libertad (gdl) para una aplicación de corte con laser de baja potencia. ISBN: 978-607-00-8778-3 Fig. 1. Configuración articulada del robot de 3 gdl. B. Análisis cinemático directo El procedimiento general para el análisis y control de robots manipuladores se basa en la obtención de un modelo geométrico de la estructura, que permita relacionar los grados de libertad con las coordenadas de todos y cada uno de los puntos que constituyen el robot, esto se conoce como el problema de la cinemática directa. Por otro lado, si se necesita ubicar el efector final en un punto especı́fico del espacio de trabajo del robot, es necesario obtener la cinemtica inversa, es decir, se establecen las coordenadas de posición o vector de posición del efector final y a partir de ellas se debe encontrar los valores de las variables de articulación o variables generalizadas. El problema que resuelve la cinemática directa se centra en encontrar la posición y orientación de parmetros asociados a la construcción fı́sica del mismo. La convencin propuesta por Denavit-Hartenberg (D-H) es ampliamente usada para describir el modelo cinem´tico directo de un robot manipulador. Convención para obtener los parámetros D-H es: i) θi−1 es el ángulo de Xi−1 a Xi medido sobre Zi , ii) di−1 es la distancia de Xi−1 a Xi medida sobre Zi , iii) αi−1 es el ángulo de Zi−1 a Zi medido sobre Xi−1 y iv) ai−1 es la distancia de Zi−1 a Zi medida sobre Xi−1 . La Tabla II-B resume los parámetros obtenidos de la Figura 1. Tomando los parámetros D-H y considerando la matriz de transformación homogenea [4], [1] obtenemos el conjunto de matrices que describen la relación de posición y orientación Página 61 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales El vector x0p son los elementos ubicados en las tres primeras filas y la última columna de la matriz T30 .   C1 (LeC23 + L3C2 ) x0p = S1(LeC23 + L3C2 ) (8) LeS23 + L3S2 TABLE I PAR ÁMETROS D ENAVIT-H ARTENBERG i 1 2 3 e ai−1 0 0 L3 Le αi−1 0 90◦ 0 0 di−1 L1 0 0 0 θi−1 θ1 θ2 θ3 0 El vector de posición (8) se sustituye en la ecuación (7) dando como resultado el Jacobiano: de cada eje de referencia con su anterior.   C1 −S1 0 L1  S1 C1 0 0   T10 =   0 0 1 0  0 0 0 1   C2 −S2 0 0  0 0 −1 0   T21 =   S2 C2 1 0  0 0 0 1   C3 −S3 0 L3  S3 C3 0 0   T32 =   0 0 1 0  0 0 0 1   1 0 0 Le  0 1 0 0   Te3 =   0 0 1 0  0 0 0 1 (1) (2) (3) Te0 = −S1+3 C1 −S1+3 S1 C2+3 0 S1 −C1 0 0 C1 (Le C2+3 + L3 C2 ) S1 (Le C2+3 + L3 C2 ) Le S2+3 + L3 S2 1 (4) ! (5) donde Te0 es la forma matricial del modelo matemático cinemático del robot, es decir, se puede saber la posición y orientación del efector final con respecto a sistema de coordenadas de la base del robot. C. Relaciones diferenciales Las relaciones diferenciales de velocidad del efecto final con respecto a la base del robot se expresan mediante el Jacobiano o matriz Jacobiana [3]. # 0 " ∂x0 ∂x0p p Jv · · · 0 ∂qn (6) = ∂q10 Jn = Jω0 ǫ¯1 z1 · · · ǫ¯n zn0 Para el caso de 3 grados de libertad la matriz (6) se escribe como: # " 0 ∂xp ∂x0p ∂x0p Jv0 0 ∂q ∂q ∂q 1 2 3 J3 = ( 0 ) = (7) Jω ǫ¯1 z10 ǫ¯2 z20 ǫ¯3 z30 ISBN: 978-607-00-8778-3 J30 =  1 (LeC23 + L3C2 ) C1(LeC23 + L3C2 ) 0 0 0 1 −C1 LeS23 − L3S2 C1 −S1 LeS23 − L3S2 C1 LeC23 + L3C2 S1 −C1 0 III. R ESULTADOS −C1 LeS23 −S1 LeS23 LeC23 S1 −C1 0 DE SIMULACI ÓN   (9) Dentro de las pruebas tı́picas de los robots manipuladores se establece el seguimiento de la trayectoria de un circulo. En caso que el brazo de 3 gdl no presente un comportamiento adecuado, se deber por errores en la obtención de la cinem´tica directa e inversa o por consideraciones no previstas en el funcionamiento real del prototipo. En el trabajo pretende cubrir una primera parte del análisis completo un brazo robótico [2]. A. Resolved Motion Rate Control Multiplicando las matrices T10 , T21 , T32 y Te3 se obtiene la matriz de transformación homogenea Te0 que es el modelo matemático de la cinemática del robot. Considerando una forma reducida de representar las funciones trigonométricas se tiene que cos (q1 ) = C1 ; cos (q1 + q2 ) = C1+2 y cos (q1 ) cos (q2 ) = C12 . C1 C2+3 S1 C2+3 S2+3 0 −S La técnica Resolved Motion Rate Control (RMRC, de las siglás en inglés) parte de que se puede conocer la velocidad de alguna articulación especı́fica del robot en el espacio de trabajo a partir del Jacobiano básico del mismo en dicha articulación referenciado a la base y su vector de velocidad de las variables articulares, es decir: ẋ = J q̇ (10) donde ẋ es el vector de la velocidad en el espacio de tareas del robot manipulador, j es el jacobiano del robot y q̇ es el vector de velocidades articulares. De (10) se puede concluir que: x = jq (11) En el caso de tener una trayectoria de referencia “x” y se requiera conocer las posiciones del robot en el espacio articular simplemente se obtiene de (11): x = j −1 x (12) Como se observa de (12), las posiciones del robot en el espacio articular está en función del Jacobiano inverso y de la posición en el espacio de tareas, dicha posición puede ser una trayectoria parametrizada. Para el caso del control RMRC, la trayectoria parametrizada será la entrada de referencia, y se empleará el Jacobiano inverso del robot para poder conocer las posiciones en el espacio articular que debe de tener cada junta para que se pueda mover el robot de manera deseada. La información de la retroalimentación del control RMRC tiene que ser comparada con la posición actual del robot en el espacio de tarea, por ello se emplea la cinemática directa, ya que los datos de Página 62 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Fig. 4. Diseño mecánico del robot de 3 gdl. Fig. 2. Esquema de control RMRC. la salida del control son las posiciones en el espacio de las articulaciones del robot (ver Figura 2). En la parte de los bloques de suma se tiene en su parte positiva la señal que sale de la trayectoria deseada, mientras que en la parte negativa entra la salida de la cinemática directa. Con esto se podrá obtener una señal de error la cual creará pequeños impulsos que al mandarlos a un demultiplexor se crea un solo vector. Esta entrara a una ganancia para mejorar la estabilidad del sistema. En la parte del PID se crean las leyes de control de cada articulación y estas van a un conectadas a un demultiplexor el cual servirá para tener un solo vector y este mandarlo al bloque se la cinemática directa y a la salida. Antes de entrar al vector creado se realiza una retroalimentación llamada condiciones iniciales servirá para: El bloque de la cinemática directa obtenga las coordenadas x, y y z del espacio de trabajo, en este caso para obtener dichas coordenadas se usará el vector de traslación de la matriz de transformación homogénea; y como entrada se tendrá la posición de cada articulación. El modelo fı́sico de la plataforma robótica es generado en SOLIDWORKS y exportado al ambiente de simulación de SIMULINK de MATLAB para observar de forma realista el movimiento y control del prototipo. La serı́e de bloques descritos en la Figura 3 representan funcionalmente las articulaciones y eslabones del robot (ver Figura 3). Fig. 3. Diagrama a bloques de las relaciones fı́sicas de las articulaciones y los eslabones del robot de 3 gdl. El diseño mecánico del robot de 3 gdl es mostrado en la Figura 4 donde se debe mover de acuerdo a la trayectoria deseada. ISBN: 978-607-00-8778-3 Fig. 5. Trayectorias de simulación. A la Izquierda se observa la dinámica deseada que en este caso es un circulo. A la derecha se aprecia el comportamiento que realmente está presentando el brazo. Se puede observar que la gráfica del lado derecho de la Figura 5 existe una trayectoria fuera de la dinámica deseada. El comportamiento obedece al traslado del efecto final del brazo con coordenadas iniciales alejadas de la trayectoria deseada. La velocidad con la que el efecto final llega a la trayectoria dependerá de la sintonización de las ganancias del los controladores de cada articulación. IV. C ONCLUSION El estudio de una plataforma robótica de 3 gdl es mostrada mediante el análisis cinemático y sus relaciones diferencial. El mapa de transformación de velocidades articulares a variables en el espacio de tarea fue comprobada mediante simulaciones que consideran una trayectoria de prueba circular tı́pica. El uso de herramientas de computo fue especialmente de utilidad para mostrar de forma visual el comportamiento de prototipo. Es sabido que un tipo de control desarticulado como el presentado aquı́ puede ser insuficiente para requerimientos de presición más estrictos. A manera de trabajo futuro se visualiza complementar el estudio considerando la dinámica del manipulador y la puesta en marcha del prototipo fı́sico que evidencie componentes de inercias, fricciones y fuerzas estrenas que actúan realmente con el sistema. AGRADECIMIENTOS Hugo Raúl Rı́os Isasi agradece el actual apoyo otorgado por el programa de Becas CONACYT para la obtención del grado de maestrı́a. Página 63 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales R EFERENCES [1] J. J. Craig, Robótica. 3a. Ed. Pearson Educación, 2006. [2] R. Kelly and V. Santibáñez, Control de movimiento de robots manipuladores. Person Educación, 2003. [3] B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani and G. Oriolo, Robotics. Springer, 2009. [4] M. W. Spong, S. Hutchinson and M. Vidyasagar, Robot modeling and control. John Wiley & Sons, 2006. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 64 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Reconstrucción de la interfaz del sistema de control del brazo articulado tipo antropomorfo marca Pegasus. Hernández Z. Raúl UTEQ, Querétaro, México raul.hernandez@ute q.edu.mx Flora V. Ubaldo J. UTEQ, Querétaro, México [email protected] Gómez V. Juan P. UTEQ, Querétaro, México [email protected] du.mx Quintana Andrea R. UTEQ, Querétaro, México andy_qur@hotmail. com Antonio Gallegos Hurtado UTEQ, Querétaro, México [email protected] om Omar Martínez Camacho UTEQ, Querétaro, México [email protected] om Jonathan Luis Martínez Suarez UTEQ, Querétaro, México masujoe89@hotmail .com Un robot antropomorfo es aquel que pretende imitar cierta parte del ser humano, desde la cadera, hasta la muñeca, pasando por el hombro y el codo. Una de las tareas que se le solicitan a los robots antropomorfos es que desplacen el extremo o la herramienta en una trayectoria definida, y una de las trayectorias más requeridas es la rectilínea. Esta tarea es realizada por el control cinemático inverso, el cual, además de realizar la trayectoria deseada, debe ser capaz de realizar la tarea cumpliendo con determinados criterios de velocidad y precisión. La reconstrucción de este dispositivo con fines didácticos incluye la implementación de tecnología de punta, así como técnicas de control. El control cinemático para trayectoria rectilínea es un tema conocido y estudiado, por lo cual en este trabajo no se detalla. Entre las tecnologías que se emplearon están los arreglos de compuertas reprogramables en campo (FPGA), y hardware dedicado para el control de motores. La ingeniería inversa y reconstrucción de un robot y de su controlador tiene implicaciones en varias áreas de la ingeniería, mismas que se tomaron en cuenta para el desarrollo de este proyecto. RESUMEN Palabras clave – FPGA (Field Programable Gate Array), robot antropomorfo, tecnología de punta. 1.3. Arreglos de Compuertas Reprogramables en Campo I. INTRODUCCIÓN 1.1. Antecedentes Los robots antropomorfos de uso didáctico son comunes en las universidades, sin embargo, su reconstrucción o recuperación debe incluir los avances tecnológicos más significativos. El uso de la tecnología FPGAs ha venido en aumento en los últimos años, esta tecnología básicamente consiste en la implementación de hardware reconfigurable con procesamiento en paralelo. Los arreglos de compuertas programables en campo son chips de silicio reprogramables, que a diferencia de los procesadores que se encuentra en una PC, al programar un FPGA el chip se vuelve a cablear para implementar su funcionalidad en lugar de ejecutar una aplicación de software. Ross Freeman, el cofundador de Xilinx, inventó el FPGA en 1985. La configuración del hardware incorporado en este proyecto está basado en tecnología FPGA, así como hardrware comercial para el control de motores de CD. 1.2. Robot Antropomorfo ISBN: 978-607-00-8778-3 El silicio reprogramable también tiene la misma flexibilidad que un software que se ejecuta en un sistema basado en procesador, pero no está limitado por el número de núcleos de procesamiento disponibles. A diferencia de los procesadores, los FPGAs, son verdaderamente paralelos por naturaleza, así las diferentes operaciones de procesamiento no tienen que competir por los mismos recursos. Cada tarea de procesamiento independiente es asignada a una sección del chip y puede ejecutarse de manera autónoma sin ser afectada por otros bloques de lógica. Como resultado, el rendimiento de una parte de la aplicación no se ve afectado cuando se agregan otros procesos. Los bloques de lógica configurables (CLBs) son la unidad de lógica básica de un FPGA. Algunas veces referido como segmentos o células de lógica, los CLBs están hechos de dos componentes básicos: flip-flops y tablas de consulta (LUTs). La adopción de chips FPGA en la academia ha sido impulsada por el hecho de que los FPGAs combinan lo mejor de los circuitos integrados de aplicación específica (ASICs) y de los sistemas basados en procesadores. Estos beneficios incluyen los siguientes: Página 65 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales  Tiempos más rápidos de respuesta de E/S  Mejorar la potencia de cómputo de procesadores de señales digitales  Generación de prototipos y verificación sin el proceso de fabricación del diseño personalizado de ASIC Dos modelos de componentes esenciales fueron los elegidos:  Implementar funcionalidad personalizada con la fiabilidad de hardware determinístico dedicado 1.- Chasis C.RIO 9074 de NI con las siguientes características:  Se actualizar en campo, eliminando los gastos por rediseño personalizado de ASIC y mantenimiento  Procesador industrial en tiempo real de 400 MHz para control, registro de datos y análisis Los lenguajes de descripción de hardware (HDLs) como VHDL y Verilog evolucionaron como los lenguajes elementales para diseñar algoritmos que se ejecutan en el chip FPGA. Estos lenguajes de bajo nivel integran algunos de los beneficios ofrecidos por otros lenguajes de texto con el entendimiento de que en un FPGA, se está diseñando un circuito. La sintaxis híbrida que resulta requiere que las señales sean mapeadas o conectadas desde los puertos de E/S externos hasta las señales internas, las cuales finalmente son cableadas a las funciones que alojan a los algoritmos. Estas funciones se ejecutan secuencialmente y pueden hacer referencia a otras funciones en el FPGA. Sin embargo, la naturaleza paralela real de la ejecución de tareas en un FPGA es difícil de visualizar en un flujo secuencial línea por línea. Los HDLs reflejan algunos de los atributos de otros lenguajes textuales, pero difieren considerablemente porque están basados en un modelo de flujo de datos dónde la E/S es conectada a una serie de bloques de función a través de las señales. Para poder cumplir con el objetivo mencionado, el desarrollo de circuitos electrónicos de control o de potencia a nivel componente quedo descartado, motivo por el cual se decidió adoptar tecnologías ya existentes en el mercado.  Chasis FPGA con compuertas de 2M y 8 ranuras, para temporización, control y procesamiento de E/S personalizados  Dos puertos Ethernet 10/100BASE-T; puerto serial RS232 para conexión a periféricos 2.- Cinco Módulos 9505 de NI de drive servo de DC de escobillas con puente H completo con las siguientes características:  Corriente continua hasta 5 A a 40 °C (o 1 A a 70 °C) a 30 V.  Drive de servo motor con puente H completo con una interfaz de codificador y sensor de corriente integrados Una vez que se ha creado un diseño de FPGA usando HDL, será necesario integrarlo en una herramienta de compilación que toma la lógica basada en texto y después de varios pasos, sintetiza el HDL en un archivo de configuración o escritura de bits que contiene información sobre cómo los componentes deben estar cableados. Como parte de este proceso manual de varios pasos, generalmente se requiere especificar un mapeo de los nombres de señales hasta los pines en el chip FPGA. II. DESARROLLO 2.1 Implementación de HARDWARE. El objetivo principal para el desarrollo de este proyecto fue el desarrollo de material didáctico para que los estudiantes de la academia de robótica apliquen principios fundamentales de conceptos teóricos como son: Cinemática directa e inversa, algoritmos de control, metodologías de programación usando máquinas de estados y en general integración de conceptos fundamentales de robótica en una aplicación real con fines didácticos. Fig 1.- Conexión eléctrica entre el NI 9505, fuente de alimentación y motor de CD. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 66 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales 2.2 Implementación de SOFTWARE. Para el desarrollo de este proyecto se eligió una plataforma de desarrollo amigable y común dentro de la academia. LABVIEW es un Software ampliamente difundido y usado por estudiantes en el desarrollo de trabajos escolares. Esta plataforma de desarrollo gráfico cuenta con los Toolkit REAL TIME, FPGA, MOTION y PID, necesarios para la implementación del presente proyecto. El programa de control basado en esta tecnología C.RIO de NI usando LABVIEW debe desarrollarse con dos criterios. Fig 3.- Parámetros de control del PID en FPGA. Por una parte el programa que radicara dentro del FPGA está limitado al número de compuestas del mismo, debiendo de tomar en cuenta el tamaño y tipo de registros con el fin de optimizar su uso. Las funciones que se programaron en el FPGA son las siguientes:  Generación de trayectorias.  Lectura y parametrización del ENCODER Fig 4.- Interface entre programas FPGA y PC.  Generación de lazos de control PID. Cabe destacar que el programa tarda entre 30 y 90 minutos en compilar dependiendo del tamaño del algoritmo y capacidad de la PC donde se este compilando. EL programa que se ejecutará dentro de la PC debe incluir aquellos procesos que no requieran velocidades elevadas de ejecución como son:  Interface gráfica con el usuario.  Almacenamiento de datos  Análisis de resultados. 3. RESULTADOS OBTENIDOS El programa de control en el FPGA se llevó a cabo en dos secciones: o Generación de trayectorias usando las herramientas del Toolkit MOTION y las ecuaciones correspondientes a la cinemática inversa del robot PEGASUS. o Generación de lazos de control para cada eje usando el módulo de PID. En la PC se desarrollaron las siguientes secciones: o Almacenamiento de los puntos de inicio y fin para las trayectorias requeridas. o Comandos de control para los elementos de sujeción e inicialización de la posición de casa para cada eje. Fig 2.- Lazo de control PID en FPGA ISBN: 978-607-00-8778-3 o Interface gráfica y de programación para el usuario. Página 67 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales 4. CONCLUSIONES El objetivo se cumplió parcialmente en un 60% ya que para la compilación de los programas incluyendo las ecuaciones de la cinemática inversa no se pudo realizar, debido a la poca capacidad del equipo de cómputo con el que contamos. Solo se obtuvieron movimientos eje por eje o combinados sin ningún tipo de interpolación. Los sistemas de control embebidos en FPGA son altamente eficientes y confiables La programación con LABVIEW simplifica la programación en comparación con otras plataformas de desarrollo con FPGA, sin embargo, los tiempos de compilación son extremadamente lentos y se requieren equipos de cómputo con muy buenas prestaciones de procesamiento. 5. REFERENCIAS W. Boltom 2ª edición Ingeniería de control ALFAOMEGA BENJAMIN C. KUO Séptima edición SISTEMAS DE CONTROL AUTOMATICO, PRENTICE HALL Herbert Goldstein, Chasles Poole, Jhon Safko, Classical MECHANICS Third Edition Addison Wesley. SUBIR KUMAR SAHA, Introducción a la Robótica McGrawHill Mechanims and Robot Analysis with MATLAB, Dan B. Marghitu Springer. JOHN J. CRAIG Robotica tercera edición Prentice Hall. Ricardo Cayssials, Sistemas embebidos en FPGA, Alfaomega Avinash Kamur Agrawal, Shrawan Kumar Singh, Shailendra Sinha y Mritunjay Kumar Shukla, 2004, Effect on the exhaust gas temperature and exhaust opacity in compression ignition engines, Sadhana 29(3): 275-284. Aprenda los fundamentos http://www.ni.com/fpga/esa/ de FPGAs National Instruments OPERATING INSTRUCTIONS AND SPECIFICATIONS NI 9505 DC Brushed Servo Drive http://www.ni.com/pdf/manuals/374211f.pdf ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 68 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Desarrollo de los componentes mecánicos del robot didáctico “MANOU” Maganda Carvajal Jaime A. UTEQ, Querétaro, México Hernández González Salvador. UTEQ, Querétaro, México Pérez lujan Juan C UTEQ, Querétaro, México [email protected] [email protected] [email protected] Lugo Pérez José Tapia Armas Ricardo UTEQ, Querétaro, UTEQ, Querétaro, México México [email protected] Resumen- El presente trabajo, muestra el desarrollo mecánico de un brazo robótico automatizable para su uso didáctico, esto con el fin de apoyar a los alumnos de la división de “DTAI (División de Tecnologías de Automatización e Información)” en el área de mecatrónica, como alternativa económica de un brazo tipo industrial de 4 grados de libertad, con el cual, todos los estudiantes tengan al alcance una herramienta que pueda ser automatizable para sus proyectos. También se plantea que este pueda ser manipulado, implementando modelación y simulación estadística y matemática con la paquetería de “Labview y Arduino” esto con el fin de ejecutar pequeñas rutinas de trabajo, para que el mismo brazo haga procesos autónomos dentro de un ambiente controlado. [email protected] Beltrán Medina Karely UTEQ, Querétaro, México [email protected] Salinas Chávez Emmanuel UTEQ, Querétaro, México [email protected] Tabla 1. Rangos de movilidad del brazo humano [1-3]. Palabras clave— Didáctico, Control mecánico, Autónomo. I. INTRODUCCIÓN La demanda de tener equipo didáctico dentro de la institución “UTEQ” es por demás necesaria, ya que los alumnos deben de complementar su formación como mecatronicos, mecánica, control, electrónica e informática. El proyecto de brazo robótico “MANOU” nace de la necesidad de los alumnos, para incentivarlos a desarrollar sus propios proyectos y desarrollar sus propios diseños en robótica, esto no solo se queda dentro de la institución, ya que los conocimientos y la amplitud de desarrollo por parte del alumno se van directamente a la industria, ya que la formación del alumno es más integral y completa. Los robots de diseño propio son los que se desarrollan con materiales reciclados, tienen un bajo costo, debido a la diversidad de los materiales con que son construidos, su ambiente de programación está limitado a ciertos movimientos y adquisición de datos de sus sensores. Estas ventajas los hace un gran apoyo para desarrollar investigación en sistemas de control de robots manipuladores [1]. Tabla2. Clasificación de robots manipulador [1-3]. Un brazo manipulador o brazo robótico se puede definir como el conjunto de elementos electromecánicos que propician el movimiento de un elemento terminal (gripper o herramienta) [1-3]. La constitución física de la mayor parte de estos manipuladores guarda cierta similitud con la anatomía de las extremidades superiores del cuerpo humano, por lo que, en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen al robot, se usan términos como: cintura, hombro, brazo, codo, muñeca, etc. Como se muestra en la Figura 1. Una especificación general de un brazo robótico comprende: sus grados de libertad, su configuración y su cinemática directa e inversa. Estas especificaciones son dadas desde el diseño propio de cada robot y su aplicación. Hay una clasificación de robots manipuladores la cual presenta las diferencias de diseño, precisión, precio, etc., esta se puede apreciar en la Tabla 2. Tomando en cuenta que la mayoría del equipo robótico dentro de un área académica y de investigación son de tipo industrial o comercial [1]. Figura1. Similitud brazo robótico con extremidades superiores del cuerpo humano. TRANSFORMACIONES LINEALES Figura 2. Huesos y músculos del brazo humano y grados de libertad implementados. ISBN: 978-607-00-8778-3 El fin de las transformaciones lineales es trasladar la dinámica del sistema desde el manipulador hasta cada una de las articulaciones con el fin de analizar y definir el aporte de cada uno de los motores que conforman los ejes del robot, para facilitar la implementación de una estrategia de control que Página 69 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales permita el total dominio sobre la trayectoria y la fuerza que ejerce el manipulador [1-2]. TRASLACIÓN La transformación de traslación permite a un objeto ser ubicado en cualquier parte dentro de un entorno virtual simplemente especificando los valores de los tres desplazamientos que están asociados con los vértices del objeto en 3D [2]. Figura3. Traslación [2]. Figura 4. Rotación [2]. También se puede utilizar combinaciones de rotaciones de ejes de coordenadas para especificar cualquier rotación general. También se puede utilizar combinaciones de rotaciones de ejes de coordenadas para especificar cualquier rotación general [1-2]. Las ecuaciones de la rotación en 3D son las siguientes con respecto al eje de las z son: x' = x cosØ - y senØ (4) Debido a que la transformación de la traslación requiere un valor para ser sumado a un punto, la matriz que representa esta acción en 3D debe de ser una matriz de 4 x 4 para incorporar los términos de traslación [1-2]. Cualquier punto P = (x, y, z) puede ser ubicado en P' = (x', y', z') con sumarle tx, ty y tz a x, y y z respectivamente: x' = x + tx' (1) y' = x senØ + y cosØ (5) z' = z (6) El parámetro Ø especifica el ángulo de rotación. En la forma homogénea de las coordenadas, las ecuaciones de la rotación del eje de las z tridimensional se expresan como: y' = y + ty' (2) z = z + tz (3) Lo cual puede ser representado por la siguiente operación de una matriz homogénea: CINEMÁTICA DIRECTA El método usado en la cinemática directa, consiste en encontrar la matriz de transformación a través del mapeo o trazo que relacione el sistema de coordenadas del elemento final, con el sistema de coordenadas de referencia o espacio de configuración del manipulador [1-3]. ROTACIÓN La orientación en la rotación puede ser especificada en una variedad de formas, lo que se enuncia a continuación es la rotación de un punto con respecto a los ejes fijos. Un eje de rotación define el polo sobre el cual se va a rotar. Para generar una transformación de rotación para un objeto, se debe designar un eje de rotación y la cantidad de rotación angular. Los ejes de rotación más fáciles de manejar son aquellos paralelos a los ejes de las coordenadas Figura 5. Asignación de Ejes [1-4]. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 70 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Grados de libertad (GDL) Cada uno de los movimientos independientes (giros y desplazamientos) que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior. Son los parámetros que se precisan para determinar la posición y la orientación del elemento terminal del manipulador. El número de grados de libertad del robot viene dado por la suma de los GDL de las articulaciones que lo componen. Puesto que las articulaciones empleadas suelen ser únicamente de rotación y prismáticas, con un solo grado de libertad cada una, el número de GDL del robot suele coincidir con el número de articulaciones que lo componen. Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio son necesarios seis parámetros, tres para definir la posición y tres para la orientación, si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con él la pieza o herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio, se precisará al menos seis grados de libertad [1-4]. Figura 7.Placa real del circuito de PWM, uno para cada motor. Fueron necesarios cinco servomotores didácticos con un torque de 17Kg, estos son controlados con un ancho de pulso PWM de la tarjeta diseñada para ello. (Figura 2) II. MATERIALES Y MÉTODOS Servo analógico para modelismo Estos servomotores se componen, en esencia, de un motor de corriente continua, un juego de engranajes para la reducción de velocidad, un potenciómetro ubicado sobre el eje de salida (que se usa para conocer la posición) y una plaqueta de circuito para el control [1-4]. Figura8. Integración de la tarjeta PWM para los 5 servomotores Cada servomotor se controla independientemente desde una caja de control esta se muestra en la figura 9, para que el alumno pueda ver cada uno de los movimientos independientes del brazo. Figura 6. Componentes principales de un servomotor. El brazo robótico está totalmente construido con materiales plásticos de alta resistencia mecánica, haciendo del mismo una estructura liviana pero a la vez robusta, ideal para lograr movimientos rápidos y precisos. La electrónica de control y potencia están integradas en la misma base del brazo, evitando así roturas y fallas por accidentes mecánicos diversos. Sin embargo, el brazo robótico ha sido diseñado para facilitar el acceso a la electrónica de control por parte de estudiantes con un nivel intermedio de conocimientos electromecánicos. En el desarrollo del brazo robótico “MANOU” consistió en en el diseño y construcción de una tarjeta con seis PWM uno para cada servomotor y en el diseño y construcción del brazo robótico. (Figura 1 y 1.1) ISBN: 978-607-00-8778-3 Figura 9. Diseño e integración de la caja de control para los servomotores La tarjeta PWM en un futuro puede ser sustituida por una tarjeta arduino que se puede programar para trabajar conjuntamente con Labview, así se podrán programar rutinas desarrolladas en un entorno de programación gráfico. Control Para el control del brazo robótico “MANOU” (fase mecánica) es completamente dependiente de su tarjeta de PWM, las señales son reguladas dende una caja de control o (control remoto) por medio de potenciómetros, cada uno de los Página 71 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales potenciómetros controla un movimiento independiente del brazo robótico, tanto rotativo como angular. (Figura 5) Para que las señales de cada uno de los PWM fueran reforzadas, se utilizó una etapa de potencia a la salida de cada uno de ellos, por medio de un optocoplador (4n26), no se le dementa tanto flujo de corriente al lm555 que se empleó para generar el ancho de pulso. III. RESULTADOS V. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA [1] [2] [3] [4] Martínez A. Gloria M., Jáquez O. Sonia A., Rivera M. José y Sandoval R. Rafael.(2008), Diseño propio y Construcción de un Brazo Robótico de 5 GDL Sánchez A. (2011). Diseño y Construcción de un Brazo Robot Articulado de Seis Grados de Libertad. Lizcano Gomez Ricardo.(2005). CONTROL PARA UN ROBOT ARTICULADO CON TRES GRADOS DE LIBERTAD QUE SIMULE EL MOVIMIENTO DE PATA Arenas Vazquez Juan Jeronimo (2011), PROYECTO FINAL ”BRAZO ROBOTICO. ” Figura10. Proyecto MANOU, integrado y terminado en la etapa mecánica. Mediante la integracion de sistemas electronicos, mecanicos y electromecanicos se logro realizar la primera etapa del proyecto denominado “MANOU”, el cual se encuentra terminado en su parte analogica, se dejo listo para dar el paso a la parte digital, para poder ser programado y controlado mediante los diferentes ambientes de programacion que se manejan en la carrera de mecatronica, por mencionar algunos: LABVIEW, MATLAB,C, C++, ARDUINO, ENSAMBLADOR, con la intencion de que tenga compatibilidad con las tendencias que surjan a futuro. IV. CONCLUSIONES El diseño de este robot fue sencillo y práctico, haciendo a MANOU, resulto ser económico y con un campo de acción de múltiple aplicación debido a sus 5 GDL, por lo que queda asentado que un robot de diseño propio está al alcance de cualquiera, por su fácil diseño y construcción, siguiendo la metodología propuesta. En este proyecto se contó con la ayuda de un taller especializado, sin embargo consideramos que aún sin un taller de este tipo se puede llevar a cabo la construcción de un robot de diseño propio de una manera sencilla y económica. También se puede obtener sus especificaciones aplicando las bases teóricas que implementamos en este artículo las cuales son de uso general dentro del área de robótica. El método utilizado de diseño, simulación y construcción es una ventaja en cuanto a no tener pérdidas de material y tiempo lo cual es económico y práctico, y además cumple con el cometido de las tecnologías CAD. Un trabajo a futuro consiste en la caracterización de este brazo manipulador, la cual consta de un análisis detallado sobre parámetros tales como la confiabilidad, la incertidumbre (condiciones de trabajo), la integración de sistemas automáticos y de control. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 72 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales IMPORTANCIA DE LOS MODELOS DE SIMULACIÓN DE EVENTOS DISCRETOS COMO HERRAMIENTA DE APOYO PARA RESOLVER PROBLEMÁTICAS DE EMPRESAS MANUFACTURERAS DE LA REGIÓN RIBEREÑA Manuel de J. Barrena R., Zinthia A. Ayala M., Hector Diez R. Universidad Politécnica de la Región Ribereña Cd. Miguel Alemán, Tamaulipas [email protected] Una de la principales problemáticas que se presentan comúnmente en varias de las empresas de la región (Cd. Miguel Alemán, Camargo, etc.), son la falta de organización en sus líneas productivas ejemplo de ello la mala distribución de materia prima, estaciones de trabajo poco productivas o mal diseñadas y el punto más preocupante la mala distribución de los operarios tanto en el número como en la distribución de las actividades para los mismos. Por esta y otras razones una de las herramientas para resolver este tipo de problemáticas es a través de la simulación de eventos discretos, la cual nos permite conocer la cantidad de materia prima por unidad de tiempo o la cantidad de operarios necesaria para cada operación así como también la distribución de planta que ayude a optimizar los recursos y mano de obra. El propósito de estas simulaciones es: incrementar la productividad y la calidad de los bienes y servicios que se producen en las organizaciones al optimizar los recursos. Algunas de las ventajas son: estudiar el efecto de cambios del sistema, al hacer alteraciones en el para observar los efectos de dichas alteraciones en el comportamiento del mismo. Una observación detallada del sistema que se está simulando puede mejor entendimiento del sistema y detectar las variables más importantes que interactúan en el sistema así como entender mejor las interrelaciones entre las variables. Keywords—simulación de eventos discretos, SED, línea de producción, productividad I. INTRODUCCION Un modelo permite ‘imitar’ la situación real o parte de ella, puede ser utilizado con fines experimentales en lugar del prototipo. Este método de ‘imitar’ la realidad es lo que se conoce como simulación y que, a consecuencia de los grandes avances de la computación, se ha transformado en una herramienta importante. La simulación ha sido utilizada por las empresas para solucionar problemas como: mercadotecnia, distribución física de maquinarias, problemas de manufacturas, control de inventarios, etc. El propósito de este trabajo es dar a conocer esta herramienta del diseño de sistemas y su amplio campo de ISBN: 978-607-00-8778-3 aplicación. Para ello se darán definiciones de simulación y una metodología que podría ser usada como herramienta para la mejora de los procesos y toma de decisiones. II. MARCO TEÓRICO Para iniciar con un estudio de la simulación, definiremos algunos conceptos básicos que es importante que se conozcan y se manejen adecuadamente desde la perspectiva de la simulación. A. Problema o Área de Oportunidad La mayoría de los problemas prácticos son inicialmente comunicados al equipo de trabajo en una forma vaga e imprecisa. Por tal motivo, el primer paso para toda investigación es estudiar los defectos o necesidades del sistema y el desarrollo para una buena definición del problema a ser considerado (simplificado). B. Sistema El término sistema ha ido evolucionando desde su concepción por Ludwing Von Bertalanffy [1], el creador de la Teoría General de los Sistemas, hasta nuestros tiempos. Las siguientes definiciones ayudan a entender desde la perspectiva de la simulación qué debemos entender por sistema:  Un sistema es una entidad que mantiene su existencia a través de la interacción de sus partes. Los sistemas existen y operan en un tiempo y un espacio.  Un sistema es una colección de objetos o cosas (ideas, hechos, principios) de un sector específico de la realidad que es objeto de estudio o interés. Las cosas u objetos se encuentran relacionados lógicamente entre sí para realizar una función o alcanzar un objetivo mediante la ejecución de un proceso. Página 73 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales  Harrell y Tumay [2], aumentan claridad a la definición anterior mediante definir los elementos que integran un sistema. Éstos se ilustran en la siguiente figura: Fig. 1 Definición grafica de Sistema  Según Smith and Taylor [3] un sistema está definido por una colección de entidades, por ejemplo, personas o máquinas, las cuales actúan e interactúan entre sí para obtener un mismo fin. C. Simulación Se ha empezado a utilizar la palabra simulación sin haber dado previamente una definición de ella. Por consiguiente, antes de proseguir con la discusión de este tema, sería conveniente describir algunas de las más aceptadas y difundidas.   H. Maisel Y G. Gnugnoli [4] “Simulación es una técnica numérica para realizar experimentos en una computadora digital. Estos experimentos involucran ciertos tipos de modelos matemáticos y lógicos que describen el comportamiento de sistemas de negocios, económicos, sociales, biológicos, físicos o químicos a través de largos periodos de tiempo.” Robert. Shannon [5] “Simulación es el proceso de diseñar y desarrollar un modelo de un sistema o proceso real y conducir experimentos con el propósito de entender el comportamiento del sistema o evaluar varias estrategias (dentro de límites impuestos por un criterio o conjunto de criterios) para la operación del sistema.” La complejidad en la operación de los sistemas de producción y servicios de la actualidad requieren de una modelación cada vez más apegada a la realidad, que permita un análisis profundo y detallado. Por ello, herramientas que permitan modelar esta complejidad se hacen relevantes y necesarias. La simulación es una de las herramientas que hace posible conocer mejor el sistema en estudio, ya que permite evaluar diversos escenarios considerando múltiples variables de decisión y visualizar su comportamiento a través del tiempo. Entre los distintos tipos de procesos de simulación que podemos utilizar, en este estudio nos ocuparemos del que se basa en el uso de ecuaciones matemáticas y estadísticas, conocido como simulación de eventos discretos. ISBN: 978-607-00-8778-3 La simulación de eventos discretos es una técnica informática de modelado dinámico de sistemas. Frente a su homóloga, la simulación de tiempo continuo, esta se caracteriza por un control en la variable del tiempo que permite avanzar a éste a intervalos variables, en función de la planificación de ocurrencia de tales eventos a un tiempo futuro. Un requisito para aplicar esta técnica es que las variables que definen el sistema no cambien su comportamiento durante el intervalo simulado. 1) Descripción de la simulación de eventos discretos Estos sistemas se caracterizan por mantener un estado interno global del sistema, que puede no obstante estar física o lógicamente distribuido, y que cambia parcialmente debido a la ocurrencia de un evento. El estado del sistema solo cambia mediante la ejecución de eventos, que se almacenan en un contenedor, y uno o varios procesos dedicados a su ejecución avanzan el tiempo de simulación a medida que se van ejecutando y eliminando los eventos pendientes para el valor de tiempo actual. La ejecución de un evento puede desencadenar la generación de nuevos eventos futuros. Cada uno está marcado por su tiempo, por lo que el orden de generación puede no coincidir con el orden de ejecución. Su comportamiento se caracteriza por una secuencia finita o infinita de estados delimitados por eventos que ocurren de manera asíncrona. III. METODOLOGÍA Cada sistema estudiado debe dividirse en elementos que son relevantes para la construcción de un modelo de simulación; entre ellos tenemos entidades, estado del sistema, eventos actuales y futuros, localizaciones, recursos, atributos, variables y el reloj de la simulación que se describen a continuación:  Una entidad es la representación de los flujos de entrada a un sistema; éste es el elemento responsable de que el estado del sistema cambie.  El estado del sistema es la condición que guarda el sistema bajo estudio en un momento determinado. El estado del sistema se compone de variables o características de operación puntuales y de variables o características de operación acumuladas, o promedio.  Un evento es un cambio en el estado actual del sistema, podemos catalogar estos eventos en dos tipos: eventos actuales, que son aquellos que están sucediendo en el sistema en un momento dado, y eventos futuros, que son cambios que se presentarán en el sistema después del tiempo de simulación, de acuerdo con una programación específica  Las localizaciones son todos aquellos lugares en los que la pieza puede detenerse para ser transformada o esperar a serlo. Página 74 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales  Los recursos son aquellos dispositivos -diferentes a las localizaciones- necesarios para llevar a cabo una operación.  Un atributo es una característica de una entidad  Las variables son condiciones cuyos valores se crean y modifican por medio de ecuaciones matemáticas y relaciones lógicas.  El reloj de la simulación es el contador de tiempo de la simulación, existen dos tipos de reloj de simulación: el reloj de simulación absoluto, que parte de cero y termina en un tiempo total de simulación definido, y el reloj de simulación relativo, que sólo considera el lapso de tiempo que transcurre entre dos eventos. Para la simulación del caso de estudio que se mostrará en la sección de resultados se empleó el software ProModel que trabaja con simulación de eventos discretos es ampliamente usado para planificar, diseñar y mejorar nuevas o existentes de fabricación, logística y otros. cantidad de trabajadores actual, pero eliminando tiempos muertos y disminuyendo el tiempo de operación a un estándar. Fig. 2 Representación gráfica de la distribución de la línea de ensamble Para estas simulaciones, la jornada laboral constó de 8 horas y se creó una biblioteca especial para incrementar el realismo de la simulación. A continuación se muestran algunos de los gráficos creados para esta simulación (Fig. 3). IV. RESULTADOS La única manera para que una organización pueda crecer y aumentar sus utilidades es aumentando su productividad. Sin embargo, el concepto de productividad surge como consecuencia de la búsqueda de calidad, la forma de administrar las actividades para la calidad y el uso efectivo de métodos y herramientas estadísticas asegurando la correcta toma de decisiones para cualquier proceso. La forma de abordar cualquiera de las problemáticas presentadas por las diversas empresas de la Región Ribereña en general es muy similar ya que el analizar la problemática, plantear posibles soluciones, programar y validar un modelo que nos permita representar las operaciones requeridas, para después poder hacer modificaciones que nos permitan sustentar la toma de decisiones. Por razones prácticas abordaremos resultados para una empresa pero citaremos otros casos con posibles soluciones encontradas para empresas de la región de distintos giros. Es por esto que el propósito fundamental de los proyectos que involucran el desarrollo de los modelos de simulación de eventos discretos como herramienta de apoyo para resolver problemáticas están ofreciendo soluciones factibles y confiables para incrementar el nivel de producción mensual a través de la aplicación de simulación, dando como resultado final una elevada productividad en las líneas de producción. A continuación (Fig.2) muestra una distribución de línea de ensamble, la cual se dividió en cuatro secciones, para su análisis en el simulador ( ProModel 7.5 Studen Edition). Una vez analizada la problemática de la empresa, y tomados los tiempos del proceso, se realizaron dos simulaciones, una demostrando la productividad actual de la empresa con los tiempos que manejan que sirvió como validación del modelo, y una segunda la cual aporta una solución para poder incrementar dicha productividad con la ISBN: 978-607-00-8778-3 Fig. 3 Gráficos creados para la simulación. La simulación cuenta con 22 Locaciones, 8 Entidades, 8 Recursos dentro de los cuales 6 son Operadores, un Inspector y uno es el Crane que hace la función de un polipasto para transportar al inicio toda la carrocería del tractor. Al igual la simulación tiene 8 Path Networks y un contador final para poder contemplar la cantidad total de tractores que fueron manufacturados dentro de la jornada laboral y poder hacer un comparativo entre ambos, para poder definir cual tuvo un resultado más productivo. Todos estos datos son los generales que ambas simulaciones, tanto la de la situación actual de la empresa, como la solución propuesta poseen. Y a continuación se mostrará primero algunas capturas de pantalla de la simulación que corresponde a la situación actual dentro de la empresa. A. Resultados de la situación actual dentro de la línea de ensamble de la empresa. Como se muestra en la siguiente imagen (Fig.4) se puede observar la línea de ensamble y parte del lenguaje del proceso de la simulación. Se guardan los avances y se carga la simulación, para verificar que no exista ningún error dentro de la programación, y se corre la simulación (Fig. 5) para poder obtener los resultados (Fig. 6) y poder interpretarlos como se muestra a continuación. Página 75 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales reducción en el tiempo de llegada de los tractores, se incrementó la productividad de la línea de ensamble, pudiendo manufacturar 18 tractores en una jornada laboral de 8 horas, en comparación con el sistema actual que usan dentro de la empresa, se pudo incrementar la producción en 5 tractores más. Fig. 4 Línea de Ensamble y Parte de la Programación Fig. 7 Resultados de la Simulación del Proceso Propuesto como Solución V. CONCLUSIONES Con los datos obtenidos de ambas simulaciones y su comparaciones se observa que esta solución propuesta como mejora de la productividad es una opción muy viable, pero cabe recalcar que no es absoluta, ya que se pueden buscar muchas más mejoras, y hay que adoptar una política de mejora continua siempre. Fig. 5 Simulación en Proceso de la Línea de Ensamble Los resultados obtenidos dentro de la simulación de la línea de ensamble de tractores, con los tiempos actuales que se manejan, nos da un alto porcentaje de espera dentro de las entidades las cuales corresponden a la instalación de las llantas mostrado en la Fig. 6. Con lo cual con este estándar la línea de ensamble es capaz de manufacturar en una jornada de 8 horas, la cantidad 13 tractores. Para la empresa “Comercializadora Guardados de Abajo” que se dedica a la elaboración de paquetes con diferentes artículos para envolver regalos y exportarlos. Se logró poder solucionar la problemática, redistribuyendo y diseñando las estaciones de trabajo para economizar los tiempos de traslados y lograr así un aumento es la productividad. Para la empresa INDUSTRIAS FORMEX DE CAMARGO, S.A. DE C.V. se recomendó una redistribución de labores para los operarios para hacer menos operaciones con más calidad y también se les recomendó trabajar por lotes de fabricación para disminuir los tiempos muertos por cambio de herramentales. AGRADECIMIENTOS Fig. 6 Resultados Obtenidos B. Situación planteada con la solución para intentar incrementar la productividad Para esta solución propuesta, el cambio que se hizo fue modificar únicamente el tiempo de la llegada de los tractores de 35 minutos a 25 minutos, y conservando el resto del tiempo de los procesos. Con esto se obtuvieron los siguientes resultados que se muestran a continuación (Fig. 7). Como se puede observar se incrementó el porcentaje de movimiento lógico dentro de las entidades, lo cual nos da como resultado un ligero incremento en lo que son los tiempos de espera y se presenta un bloqueo dentro de la entrada de los tractores, esto debido a las llegadas con una frecuencia mayor, pero a pesar de esto, con esta solución propuesta que fue la ISBN: 978-607-00-8778-3 Al grupo de Ingeniería Industrial Generación 2011 por su total participación y colaboración en la realización de la información presentada en este trabajo de manera especial a los alumnos; R.C. Cano G., S. Cavazos. G., J.V. Gallegos O. G.A. García G. y J. H. F. Gómez P. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] Ludwing Von Bertalanffy, Teoria General de los Sistemas, Mexico.Fondo de la Cultura Economica. 1995 p. 32 Harrell y Tumay , Simulation Made Easy. A Manager’s Guide". Industrial Engineering and Management Press. Institute of Industrial Engineers Norcross, Georgia U.S.A. 1995. Hamdy A. Taha. Simulation Modeling and SIMNET. Prentice Hall. Primera edición. New Jersey, 1988. H. Maisel Y G. Gnugnoli. Simulation of Discrete Sthochastic Systems; Science Research Associates 1972. Robert. Shannon, Systems simulation: the art and science, Prentice-Hall, 1975 Página 76 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Implementation of a Bluetooth interface for controlling a PWM based on a Spartan-3E FPGA. Jose de Jesus Lorenzo Alegria Cerda UTEQ, Queretaro, Mexico [email protected] Jose Felipe Aguilar Pereyra UTEQ, Queretaro, Mexico [email protected] Abstract This paper presents the design and implementation of a communication module that uses the Serial Port Profile (SPP) of Bluetooth protocol to control the dutycycle of an FPGA based PWM. This work was developed in order to support the practices in academic subjects such as Programmable Logic Devices, Communication, Instrumentation and Control, etc. The design has two modules, one is the Spartan-3E based FPGA board NEXYS2 and the second is the PmodBT2 Bluetooth interface with RN-42N, both of Digilent Inc. The design is based in the state-machine design for interface control of Bluetooth module. The implementation was made in a Field Programmable Gate Array (FPGA) of Xilinx´s Spartan-3E family. The design was made using the Hardware Description Languaje (VHDL) and the Xilinx´s free applications ISE Webpack and Impact. Keywords: FPGA, Bluetooth, SPP, PWM. 1. Introduction The technological advances in electronic systems and their applications, have led to innovations such smart phones, tablets, and all those devices that give us mobility. But, does the academy prepared for the challenge? For this, is important to develop different methodologies for FPGA´s and VHDL teaching, in order to accomplish the industry’s requirements. The Bluetooth protocol is standard designed for a low power wireless communication. Using the Serial Port Profile is ideal for cable replacement. The Bluetooth protocol uses the unlicensed 2.4GHz band but uses frequency-hopping-spread-spectrum (FHSS) ISBN: 978-607-00-8778-3 Salvador Hernandez Gonzalez UTEQ, Queretaro, Mexico [email protected] modulation and Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) [2]. Ericsson Company developed wireless technology that allowed communication between mobile devices and accessories such as headset. After this, IBM, Nokia, Intel and Toshiba were interested on Ericsson´s work [1] [4] and finally, these companies funded the Special Interest Group (SIG) for development, promote, define and publish specifications of Bluetooth. 2. Bluetooth modules. We can find in the market a variety of modules that enable and facilitate communication with other Bluetooth embedded devices. The replacement cable for transferring data between microcontrollers and other programmable devices like FPGA is not difficult because ease programming communications modules. The PmodBT2 of Digilent Inc. is a powerful peripheral module employing the Roving Networks RN-42 [5] to create a fully integrated Bluetooth interface. It uses a standard 12-pin connection and communicates via UART. PmodBT2 module is shown in figure 1. Figure 1. Digilent´s PmodBT2 module [5]. 3. The Bluetooth Serial Port Profile. The serial port profile is based on the ETSI 07.10 specification through the RFCOMM protocol. Emulates a serial line interface and provides a replacement for a RS-232 based communications, with typical control signals [2]. Página 77 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Thus, the serial port profile was designed for cable substitution therefore, the model for our application consist in the implementation and connect it as shown in figure 2. Figure 2. Connection between FPGA and RN-42N. shown in figure 4. It consists in three functional modules, where the principal module is the FSM that controls the serial data reception. Figure 4. Model for serial data receiver. 4. PWM´s synthesis in VHDL. Pulse Width Modulation is a technique to control the average voltage providing a digital signal and a controlled duty cycle percentage. The duty cycle defines the DC voltage as follows: DC = Supply * (%Duty Cycle) For this application, we designed an 8-bit resolution PWM using VHDL. The black box design is shown in figure 3. The design consist in four modules: The Frequency Divisor defines PWM´s operating frequency by scaling the FPGA´s master clock. 6. Integration. Once defined, modules will be integrated in order to make an application that controls PWM´s duty cycle via Bluetooth. The reference module that defines duty cycle is actualized by each 8-bit data received via Bluetooth. Final integration is shown in figure 5 where RN-42N is the Bluetooth module and it is connected via pmods ports. Figure 5. Integration model for application. 7. Results Figure 3. PWM basic design The 8-bit counter is a free running up-counter and its count is compared with the 8-bit reference module´s value by the 8-bit comparator. The 8-bit comparator activates the output signal when counter´s value is less than reference´s value. Finally we have a PWM signal controlled by the value in the 8-bit reference module. 5. Implementing the PmodBT2’s UART in VHDL. In order to test the application, we used a PC with a Bluetooth connection and a serial terminal to send data. This model is shown in figure 6. But PC is not the only device with Bluetooth interface, under the model, any device that can connect to RN-42N Bluetooth module will control PWM´s duty cycle. For example, if one mobile telephone has a Bluetooth Serial Port Profile and an application that supports that profile, it can send data to RN-42N as a serial cable. The UART implementation in VHDL requires two “Finite State Machines” (FSM), one for transmitter and other for receiver. In this application, we will use only one FSM because the FPGA will only receive data from devices via Bluetooth. The model for receiver is ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 78 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Figure 6. Model for final application. 7.1. Testing PWM with different duty-cycles Different tests were made in order to show the application. Each 8-bits data is sent from PC terminal and received by the RN-42N Bluetooth module, and therefore, PWM´s duty cycle is actualized. Figure 7 shows a serial communication terminal sending different data values and correspond to PWM´s duty cycle. Figures 8, 9 and 10 show a green led connected to PWM output signal. Figures show how the LED intensity changes with every data each that is sent by PC. Figure 9. LED intensity with 100% duty cycle. Figure 10. LED intensity with 50% duty cycle. The corresponding duty cycle could be calculated as follows: If we have an 8-bit reference, its values are from 0 to 255, where 0% corresponds to binary 0 and 255 corresponds to binary 255. Thus, duty cycle percentage could be calculated by Figure 7. Serial communication terminal. %Duty cycle = (reference value)*100/255 For example, if the reference value is 127 the duty cycle percentage is approximately 50%. 8. Conclusions Figure 8. LED intensity with 2.5% duty cycle. ISBN: 978-607-00-8778-3 Incorporate a wireless interface in a FPGA-based system, allows us to think about the development of applications that have mobility and also may be energized by batteries. To implement the model synthesis, we used the program that provides the company called Xilinx ISE Webpack version 13.3. With this application, the model can be implemented in a FPGA-based system board such as NEXYS2 or BASYS2 Digilent Inc. A precise selection of the Bluetooth module helped to reduce development time because the criteria were adaptability, availability, cost and delivery time. Página 79 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Currently there are options to select a dedicated Bluetooth module such as RN-42 from Roving Networks or BISMS02BI from Laird Technologies supports to academics to teach about VHDL’s topics. PWM´s duty cycle controller is just one application of a grand variety that we can find when incorporation of wireless communication is added to embedded systems such as FPGA´s, microcontrollers, etc. 9. References [1]. Networks, Roving. ROVING NETWORKS BLUETOOTH™ RN-42N PRODUCT USER MANUAL. Los Gatos, CA. url: http://www.rovingnetworks.com, 2011. [2]. Ltd, Palo Pacific Technology Pty. Palo Wireless. url: www.palowireless.com. [3]. Troncoso, René de Jesús Romero. Electrónica Digital y Lógica Programable. Guanajuato, Gto. : Universidad de Guanajuato., 2007. [4]. García, Carlos García. Bluetooth: “EL CABLEADO DEL SIGLO XXI”. s.l. : Doctorado PCSM. [5]. Digilent Inc. Digilent Inc. - Digital Design Engineer's Source. url: http://www.digilentinc.com. January 2012. [6]. XILINX®. Spartan-3 FPGA Family Datasheet. url: http://www.xilinx.com, 2009. [7]. Ballesteros, D. y Piraján, A. DISEÑO VHDL DE SISTEMAS DIGITALES SOBRE DISPOSITIVOS LOGICOS PROGRAMABLES FPGAS. COLOMBIA : UMBRAL CIENTÍFICO, 2006. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 80 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Control difuso implementado en un PIC para el cultivo hidropónico de tomate. Manuel Meléndez Romero UTEQ [email protected] Hernández Rosales Fernando CIDESI [email protected] Rangel Miranda Domingo CFATA [email protected] Flora Velasco Ubaldo Javier UTEQ [email protected] Resumen- En este trabajo se presenta una propuesta de un controlador difuso para el cultivo hidropónico de tomate. Se diseña dicho controlador del tipo Mamdani utilizando el “Fuzzy Logic Toolbox” de MathLab, con 3 variables de entrada (temperatura, humedad e intensidad de Luz) y 4 variables de salida (potencia de ventilación, potencia de la resistencia calorífica, potencia en la iluminación y potencia del atomizador). A cada variable de entrada se le asignan 3 conjuntos difusos y a las variables de salida se les asocian desde 4 hasta 5 conjuntos difusos. Según los expertos del cultivo y en base a los parámetros óptimos, se generan 27 reglas de inferencia. A partir del sistema creado en MatLab se simula utilizando Simulink. Se realiza el programa en lenguaje C y se prueba en una tarjeta de sistema mínimo de diseño propio para un microcontrolador PIC18f4550 utilizando el compilador mikroC PRO for PIC. Se compara el funcionamiento en las 2 plataformas, software MathLab y microcontrolador. Palabras Clave – Hidroponia, Invernadero, Lógica Difusa, Mamdani, Fusificación, Defusificación, Simulación, Simulink, PIC18F4550, mikroC. Fig. 1 Sistema de control difuso. II. MATERIALES Y MÉTODOS Desarrollo del Sistema Inteligente Difuso El sistema de control a utilizar deberá cubrir los siguientes aspectos: Temperatura óptima de crecimiento y desarrollo 25 ºC. La humedad relativa óptima es entre 65% y 70%. I. INTRODUCTION La Hidroponía es la técnica de suministrar directamente a la planta los minerales necesarios para su desarrollo sin crecer directamente en la tierra. Modelar con un sistema de control clásico el desarrollo fisiológico de una planta, es una labor muy complicada, ya que todas las variables que intervienen en este proceso se encuentran estrechamente relacionadas, y el incidir en una, repercutiría en las demás. Sin embargo se han llegado a modelos matemáticos con ciertas restricciones, que más bien tienen que ver con el control del clima dentro del invernadero [2], para adaptarlo a las condiciones de desarrollo y crecimiento que dictan los expertos sobre el cultivo. Los sistemas difusos permiten incluir en un algoritmo la experiencia de un experto, caracterizando los fenómenos presentes, con términos lingüísticos transparentes, simples y comprensibles, tales como: Frío, tibio, caliente, pequeño, mediano, grande, etc. Un control difuso tal como se muestra en la figura 1, está compuesto por un “Fusificador”, que se encarga de traducir las variables de entrada del universo real al difuso, un “Motor de Inferencia” que, interactuando con la base del conocimiento “Reglas Difusas”, generan los valores difusos de las variables de salida, y un “Defusificador” que convierte los valores de salida del universo difuso al real. ISBN: 978-607-00-8778-3 La cantidad de luz óptima de 950 lux. En la metodología para el diseño del sistema difuso [3], intervienen los siguientes pasos: 1.- Seleccionar los estados lingüísticos de cada variable y expresarlos apropiadamente en conjuntos difusos. 2.-Crear la base del conocimiento utilizando reglas del tipo Si_Entonces_ 3.- Selección del método o función para la fusificación. 4.- Selección del mecanismo de Inferencia. 5.- Selección del método de defusificación. Las variables de entrada son: temperatura, humedad relativa e iluminación. La variable temperatura figura 2, se especificó de 0º C a 50º C y se crearon 3 conjuntos difusos: Baja (0º C a 20º C), Óptima (15º C a 35º C) y Alta (30º C a 50ª c). La variable humedad figura 3, se especificó de 55% a 80% y se crearon 3 conjuntos difusos: Baja (55% a 65%), Óptima (57% a 77%) y Alta (70% a 80%). La variable luz figura 4, se especificó de 0 lux a 1500 lux y se crearon 3 conjuntos difusos: Baja (0 lux a 600 lux), Óptima (400 lux a 1100 lux) y Alta (900 lux a 1500 lux). Página 81 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Fig. 2 Conjuntos difusos para temperatura. Fig. 5 Singleton para temperatura. Fig. 3 Conjuntos difusos para humedad. Fig. 6 Singleton para ventilación. Fig. 4 Conjuntos difusos para luz. Fig. 7 Singleton para iluminación. Los conjuntos difusos para las variables de salida se especificaron en porcentaje, desde 3 hasta 6 subconjuntos. Y quedaron determinados por funciones de membresía tipo Singleton (representaciones de un solo punto), ya que proporcionan un método más rápido para calcular valores de salida reales [1]. Las variables de salida son: ventilación, potencia de la resistencia calorífica, potencia en la iluminación y potencia del atomizador. La variable ventilación figura 5, se especificó de 0% a 100%, con 5 singleton: baja 10%, moderada 30%, media 50%, alta 70% y muy alta 95%. La variable resistencia figura 6, se especificó de 0% a 100%, con 6 singleton: cero 0%, baja10%, moderada 30%, media 50%, alta 70% y muy alta 95%. La variable iluminación figura 7, se especificó de 0% a 100%, con 4 singleton: cero 0%, baja 10%, media 50%, alta 90%. La variable atomizador figura 8, se especificó de 0% a 100%, con 4 singleton: cero 0%, baja 10%, media 50%, alta 90%. ISBN: 978-607-00-8778-3 Fig. 8 Singleton para atomizador. Se establecieron 27 reglas de inferencia, de las cuales se muestran 4 a continuación. Página 82 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales 1. (Temperatura==Baja) & (Humedad==Baja) & (Luz==Baja) => (Ventilacion=Alta)(Resistencia=MuyAlta)(Iluminación=Alta)(Atomizador =Alto) 3. (Temperatura==Baja) & (Humedad==Baja) & (Luz==Alta) => (Ventilacion=Alta)(Resistencia=MuyAlta)(Iluminación=Baja)(Atomizador =Alto) 17. (Temperatura==Optima) & (Humedad==Alta) & (Luz==Optima) => (Ventilacion=media)(Resistencia=Media)(Iluminación=Media)(Atomizado r=Bajo) 27. (Temperatura==Alta) & (Humedad==Alta) & (Luz==Alta) => (Ventilacion=Muy_Alta)(Resistencia=Cero)(Iluminación=Baja)(Atomizad or=Bajo) Como método de defusificación se utilizó el del Centro de Área o COA [4]. Para implementar físicamente el algoritmo difuso se utilizó el software mikroC PRO PIC y una tarjeta de sistema mínimo para el PIC18F4550, de fabricación propia figura12. Dicha tarjeta consta de 3 canales analógicos, 2 puertos digitales de 8 bits, visualización en 8 leds, 3 display de 7 segmentos y en LCD, teclado matricial de 4x4, comunicación rs-232 y usb Las entradas se simularán con potenciómetros que entregarán al microcontrolador señales entre 0 y 5 volts, que corresponderían al 0 y 100 % respetivo del valor de la variable. El convertidor analógico digital es de 10 bits (1024 cuentas), por lo que se logrará una resolución de 4.88 mv por cuenta. Para poder desplegar las variables de entrada y los valores calculados por el control en el LCD, se generará un algoritmo que permita escalar la variable a su rango establecido y convertirla a código ascci. Fig. 9 Sistema de control difuso 3 entradas 4 salidas. Figura 12. Sistema Mínimo para el PIC18F4550 III. RESULTADOS OBTENIDOS. Simulación con Simulink. Fig. 10 Superficie de control resultante para temperatura, humedad y ventilación El sistema de control obtenido figura 9, se exporta a Simulink, y para su simulación, figura 11, se generan 3 señales triangulares representando la temperatura, humedad y luz. Al simular el sistema se observó que el controlador responde tratando de compensar las variaciones de las señales de entrada para dejarlo en los valores óptimos. Se puede observar en la figura 13 como a menor temperatura, la resistencia eléctrica toma un valor máximo y el ventilador un valor alto, tratando de irradiar calor y compensar las bajas temperaturas. Al ir incrementándose la temperatura hasta llegar a la óptima, la resistencia toma un valor medio al igual que el ventilador. Sin embargo, al superar la temperatura óptima y pasar a una relativamente alta, el controlador manda a cero la potencia en la resistencia y a un valor alto el ventilador, para contrarrestar el calor. Por otra parte, en las figuras 14 y 15 se observa claramente que ante un valor bajo en la variable de entrada, que puede ser luz o humedad, el controlador responde poniendo la salida correspondiente al máximo, mientras que al llegar a un valor óptimo se estabiliza por un momento, pero al superarlo y pasar a un valor alto, inmediatamente las salidas tratan de compensarlo tendiendo a cero. Fig. 11 Modelo para la simulación. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 83 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales atomizador 73.7% , mientras que el microcontrolador da como salidas 73.5%, 23.6%, 10.3% y 73.3% , figura 16. Fig 13 Respuesta del controlador en Potencia de la Resistencia y Potencia del Ventilador, a la variable Temperatura. Fig. 16 Comparación entre MathLab y Microcontrolador XI. CONCLUSIONES Fig. 14 Respuesta del controlador en Potencia del Atomizador, a la variable Humedad Relativa. Como se observó en la simulación, el sistema responde a los cambios en las variables de entrada, trata de compensar y quedar en un valor óptimo, en la implementación a través de un microcontrolador, se corroboran las acciones de control, que muestran la compensación eficaz de las variables y comparándolo con lo obtenido en MathLab, los valores arrojados varían en forma mínima. Queda como trabajo a futuro implementarlo físicamente en un invernadero y poner a prueba su eficacia. XII. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA [1].- A. Ferreira, R, Fuentes 2000. Ambiente de Desarrollo Interactivo para Lógica Difusa. [2].-Castañeda-Miranda, Rodrigo 2007. Análisis y Simulación Fig. 15 Respuesta del controlador en Potencia de Iluminación, a la variable de entrada Luz. del Modelo Físico de un Invernadero Bajo Condiciones Climáticas de la Región Central de México. UAQ Comparación entre MathLab y microcontrolador. [3].- Geoge J Klir, Bo Yuan 1995. Fuzzy Sets and Fuzzy A continuación se muestra la comparación del sistema realizado en el Tool Box Fuzzy Logic de MathLab y el implemetado en el microcontrolador. Cuando las entradas de temperatura, humedad y luz corresponden a 32.5 ºC, 60% y 1400 lux, respectivamente, las salidas en MathLab son ventilación 73.7%, resistencia 23.7%, iluminación 10 % y Logic, Theory and Aplications. ISBN: 978-607-00-8778-3 [4].- Mamdani E. H., 1974, Application of fuzzy algorithm for simple dynamic plant, IEEE Proceedings-Control, Theory and Applications, 121(12):585-588 Página 84 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Generador de Señales Periódicas Determinísticas o Aleatórias Empleando un Microcontrolador Hc08 Antonio Salvá Calleja Luis Antonio Altamirano Yépez Sabino Ortega Monjarás División de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, UNAM Distrito Federal, México [email protected] División de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, UNAM Distrito Federal, México [email protected] División de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, UNAM Distrito Federal, México [email protected] Resumen—En este trabajo se presenta un dispositivo denominado Generador de Señales Periódicas o Aleatorias (GSPA). El GSPA está integrado por dos bloques funcionales. El primero es una computadora de tipo PC, donde corre un software manejador denominado SMGSPA. El segundo es una Interfaz Generadora de Señales (IGS), conformada en lo fundamental, por la tarjeta de desarrollo MINICON_08GT y un convertidor digital analógico de 8 bits, siendo la salida de éste la propia del GSPA. La tarjeta MINICON_08GT está basada en el MCU MC9S08GT60 de Freescale. La principal motivación para diseñar y construir este prototipo fue el contar con un auxiliar didáctico, de bajo costo, que pueda ser empleado para ilustrar, en forma práctica, conceptos relacionados con la teoría de análisis de sistemas y señales. La tarjeta MINICON_08GT, el software para desarrollo con ésta y el software SMGSPA, fueron desarrollados en el Departamento de Control y Robótica de la Facultad de Ingeniería de la UNAM [1] y [2]. Palabras Claves—Señales y Sistemas; Señales Aleatorias; Desarrollo con Microcontroladores; Minicon Minibas y AIDA08. Cabe hacer notar que la señal generada es normalizada de modo que ésta siempre será bipolar, con un valor pico a pico (Vpp) de 20 Volts. Si se requiere que la señal presente una componente de directa, o bien, un valor Vpp diferentes de los que corresponden al caso normalizado, habría que emplear hardware analógico adicional para lograr este fin. Las facilidades presentes en la IU son, entre otras las siguientes:     I. INTRODUCCIÓN En la figura 1 se muestra un esquema simplificado del GSPA. Los bloques funcionales del sistema son:  Interfaz de usuario (IU), validada por el software manejador SMGSPA. Mediante ésta se definen las características básicas de la señal a generar.  Interfaz generadora de señales (IGS), validada mediante la tarjeta MINICON_08GT [1] y un convertidor digital analógico (DAC). En la tarjeta corre un programa cuya función es recibir de la IU la tabla binaria de valores propios de las muestras asociadas con la señal a generar. Una vez que se ha completado la recepción de la tabla, los valores binarios asociados con cada muestra son colocados cíclicamente en la entrada del DAC, siendo la salida de éste la señal generada. ISBN: 978-607-00-8778-3    Para fines de la generación de señales periódicas, el usuario puede definir lo siguiente: Número de muestras por período (NMP), frecuencia de la señal a generar, forma de onda del período básico especificado mediante un máximo de 100 tramos de recta. Guardar en disco una determinada forma de onda periódica previamente definida. Recuperar de disco una determinada señal periódica para su reproducción en la salida del GSPA. Edición del período básico de la señal periódica presente en la IU. Para fines de la generación de señales aleatorias, el usuario puede definir el tipo de función de densidad de probabilidad (FDP) asociada. Las FDP disponibles son: Uniforme, exponencial y normal. Envío a la IGS de la información básica de la señal a generar para su reproducción inmediata. Especificación del período de muestreo (TM) que existirá entre muestras, al desplegarse éstas en la salida de la IGS. Cabe aclarar que las señales aleatorias generadas, en realidad, son pseudoaleatorias, ya que éstas de origen se reproducen en la IGS repitiendo tramos de mil muestras. El valor asociado a cada muestra, para el caso de la FDP uniforme, se obtiene mediante el empleo del algoritmo congruencial lineal. Para las otras FDP se emplea un algoritmo que calcula, a partir de la lista de números con FDP uniforme, la lista de números aleatorios con la FDP deseada. Página 85 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Fig. 1. Esquema simplificado del GSPA. II. GENERACIÓN DE SEÑALES PERIÓDICAS Para este fin, mediante el software manejador, el usuario define la forma de onda de la señal periódica a generar, especificando el período de ésta (Ts) y el número de muestras por período (NMP) a emplear. De esta forma el tiempo entre muestras TM, queda definido como el cociente Ts/NMP. La forma de onda se define en una pantalla virtual mediante tramos rectos. El número máximo para éstos es cien. La frecuencia máxima de la señal generada depende del valor del parámetro NMP usado en un momento dado. Por ejemplo, si NMP es 500 la frecuencia máxima que puede generarse es 1000 Hz; si NMP es 250 la frecuencia máxima será 2000 Hz. El período máximo que puede definirse es 15.36 segundos, esto se da para los valores máximos de los parámetros TM y NMP. Los valores máximos para los parámetros TM y NMP son respectivamente: 30 ms y 512 muestras. Fig. 2. Ventana de la IU con la forma del período básico de una señal a reproducir con el GSPA A. Ejemplo de generación de una señal periódica En la figura 2 se presenta la ventana de la IU mostrada al usuario por el SMGSPA. Ahí se ilustra el período básico de una señal que se va a reproducir con NMP = 512. Durante el proceso de descripción de la señal por tramos rectos, el usuario tiene la facilidad de borrar la señal a través del botón “BORRAR”. También puede borrar únicamente el último tramo dibujado usando “BORRAR ÚLTIMA LÍNEA” o refrescar completamente la señal por medio del botón “REDIBUJAR” cuando previamente se ha borrado. Al oprimirse el botón “BAJAR A IGS”, la información de la señal se copia a la IGS y se reproduce de inmediato. En la figura 3 se muestra la señal de salida del GSPA, cuando éste genera la señal preconfigurada mostrada en la figura 2. ISBN: 978-607-00-8778-3 Fig. 3. Salida del GSPA al reproducir éste la señal preconfigurada mostrada en la figura 2. Escala horizontal (.5 ms/div). Página 86 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales III. GENERACIÓN DE SEÑALES ALEATORIAS La generación de números aleatorios es un problema que se puede abordar desde varios enfoques [4] y [7]. Para este fin existen métodos físicos como la lectura de ruido electromagnético o la conversión de variables aleatorias presentes en el ambiente. Si bien estos métodos son confiables, tienen la desventaja de requerir componentes de hardware extras o de ser susceptibles a variaciones ambientales. Otra forma de obtener números aleatorios es por medio de un algoritmo. Sin embargo, por tratarse de un procedimiento determinístico, el conjunto de números que se obtiene es finito y periódico. Por esto son llamados números pseudoaleatorios. A continuación se mencionan algunos métodos de obtención de números pseudoaleatorios: Algoritmo de Cuadrados Medios, Algoritmo de Productos Medios, Algoritmo de Multiplicador Constante, Algoritmo Congruencial Lineal, Algoritmo Congruencial Multiplicativo, Algoritmo Congruencial Aditivo, Algoritmos Congruenciales No Lineales. El algoritmo lineal fue propuesto por D. H. Lehmer en 1951 y es el algoritmo más usado tanto en la academia como en la industria [7]. El algoritmo Congruencial Lineal genera una secuencia de números por medio de la siguiente ecuación recursiva: En la figura 4 se muestra la gráfica de la función F(x) = 1 e-(x/β). Esta función es la función de distribución acumulada, de la función de densidad f(x) = (1/b) e-(x/β). Como puede verse se trata de la distribución exponencial con media β. Relación entre una función de densidad de probabilidad y su inversa. Fig. 4. Sea U = F(x). Despejando x resulta: U = 1 - e-(x/β), e-(x/β) = 1 - U ln(e-(x/β)) = ln(1-U) Xi+1 = (aXi +c) mod (m)……...(1) -(1/β) = ln(1-U) Donde a, c y m son enteros positivos. X = -βln(1-U) Para obtener una secuencia de números pseudoaleatorios uniformemente distribuidos en el intervalo (0,1), se usa la siguiente expresión: Ui = xi / (m-1)………..(2) A pesar de su aparente simplicidad y previsibilidad, una selección cuidadosa de los parámetros a, c y m, permite obtener eficientemente secuencias de números suficientemente largas y aleatorias para los propósitos de este trabajo. En [6] se puede revisar una exposición sobre cómo elegir un buen conjunto de valores a, c y m. Sea cual sea el método que se use para generar una secuencia de números pseudoaleatorios, existen pruebas que identifican qué tanto, una secuencia se parece (en términos matemáticos) a una distribución aleatoria uniformemente distribuida. A continuación se enlistan algunas de las pruebas más comunes: Prueba de Promedios, Prueba de Varianza, Prueba de Uniformidad, Prueba de Independencia, Prueba de Frecuencias, Prueba de la Distancia, Prueba de Series, Prueba de Kolmogorov-Smirnov, Prueba del Póker, Prueba de las Corridas. Otro problema fundamental en la generación de señales aleatorias es la consecución de otras distribuciones probabilísticas, una vez que se ha obtenido una secuencia uniforme de números pseudoaleatorios. Este paso es muy importante porque el comportamiento de los sistemas físicos generalmente se modela usando variables aleatorias que se distribuyen en diversas formas conocidas y ampliamente estudiadas por la probabilidad. ISBN: 978-607-00-8778-3 Con esta última expresión, es posible encontrar un valor de x dado un valor de U. Este procedimiento se conoce como método de la transformación inversa para generar variables aleatorias. La siguiente lista muestra algunos de los métodos más comunes para generar variables aleatorias, dada una secuencia de números pseudoaleatorios uniformemente distribuidos: • Transformación Inversa (Inversión) • Rechazo • Cociente de Uniformes • Convolución • Precontrastes • Composición • Métodos específicos para distribuciones continuas • Métodos específicos para distribuciones discretas A. Ejemplo de generación de señal aleatoria En la figura 5 se muestra la señal generada por el GSPA cuando se ha especificado que ésta tiene una FDP uniforme (esto sería obviamente entre -10 y +10 volts). Página 87 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales sistemas y señales, coadyuva en el proceso de enseñanzaaprendizaje, y posibilita al docente a mostrar no sólo las formas de onda clásicas, sino también formas de onda compuestas o incluso “caprichosas”. El GSPA puede tener cabida en cualquier laboratorio de electrónica donde se requieran señales de prueba como entrada a sistemas electrónicos. Es de consideración para desarrollos posteriores que el GSPA cuente con un amplio banco de señales preconfiguradas, mayor velocidad, mejor resolución, escalamientos por hardware y un tamaño reducido. REFERENCIAS [1] Fig. 5. Señal aleatoria con FDP uniforme generada con el GSPA. Escala vertical (10 Volts/Div). [2] [3] IV. CONCLUSIONES Los autores estamos convencidos de que el valor didáctico de un dispositivo electrónico, es mucho más alto que una imagen o una simulación cuando se trata de explicar la forma de onda de las señales. Sabemos que el aprendizaje es más significativo cuando el alumno entra en contacto con elementos tangibles y puede constatar por medio de la observación directa o por instrumentos, que la teoría se verifica con la experiencia. [4] [5] [6] [7] Salvá, A y L. Altamirano (2009). DISPOSITIVOS CHIPBAS8, MICROCONTROLADORES HC08 PROGRAMABLES EN LENGUAJE BASIC. SAAEI 2009, Madrid España.. Salvá, A (2011). Manual de usuario del sistema AIDA08.Descargable de http://dctrl.fi-b.unam.mx/~salva/muaida08ve2011.pdf Manual de ususario del microcontrolador MC9S08GT60 descargable de www.freescale.com Harrel. Ghosh. Bowden. “Simulation Using Promodel”. Segunda edición, McGraw Hill 2002. Altamirano Yepez Luis Antonio, “Modelo de Simulación para Evaluar Escenarios en la Programación de Tareas de Pintura en la Industria Automotriz. Caso Nissan Motors Ibérica S.A.”. UNAM. 2011. D. Ríos, S. Ríos, J. Martín, A. Jiménez, “Simulación. Métodos y Aplicaciones”. Segunda Edición, Alfaomega 2009. E. García, H. García, L. Cárdenas. “Simulación y Análisis de Sistemas con Promodel”. Primera Edición, Pearson, 2006. Contar con un auxiliar didáctico de bajo costo como el GSPA, que pueda ser empleado para ilustrar, en forma práctica, conceptos relacionados con la teoría de análisis de ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 88 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales INVERNADERO AUTOMATIZADO A ESCALA Maganda Carvajal Jaime A. UTEQ, Querétaro, México [email protected] Pérez lujan Juan C. Ortiz Gonzales Gustavo Lugo Pérez José Beltrán Medina Paulina UTEQ, Querétaro, UTEQ, Querétaro, UTEQ, Querétaro, UTEQ, Querétaro, México México México México [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Resumen- En comparación con los invernaderos de hoy que permiten un ahorro considerable de agua, debido a la reducción de la evaporación, debido también a la alta uniformidad de riego, todas las plantas crecen de manera similar, ya que reciben volúmenes iguales de agua. El diseño que se describe en este trabajo, da la oportunidad de medir y controlar la cantidad de agua aportada haciendo más fácil la automatización. Es posible mantener el nivel de humedad en el suelo constante y elevado, sin que lleguen a producirse encharcamientos que provoquen la asfixia de la raíz o faciliten el desarrollo de enfermedades. En comparación al sistema de riego por gravedad se reduce el consumo de agua hasta en un 60% y al impulsar el agua mediante bombeo el gasto energético es menor debido a la reducción de los consumos de agua y a las menores necesidades de presión, así mismo se reduce la mano de obra necesaria para el manejo de riego. Los equipos tienen vida útil superior a los 10 o 15 años y la inversión realizada en su implementación se puede recuperar en uno o dos años aproximadamente. No ocasiona mayores costos ambientales ya que no produce anegamientos por saturación y evita la salinización del suelo. Se desarrolló un área controlada implementada a un invernadero a escala, donde se controló la magnitud de temperatura y de manera indirecta la humedad. La temperatura se controló mediante la implementación de extractores de aire los cuales reducen la temperatura hasta en 2 ºC y así como una resistencia de nicromo para aumentarla. Su monitoreo consistió en sensores de temperatura LM35, la humedad se controló de manera indirecta ya que al subir la temperatura aumento la humedad, y su monitoreo se realizó mediante el sensor de humedad SEN92355P, para la iluminación se utilizó un filtro UV por medio de tela malla-sombra. El desarrollo de este sistema automatizado capaz de controlar las variables de temperatura y humedad en un invernadero por medio de un sub-sistema de control PID, para así mantener las variables correspondientes en los niveles adecuados, todo esto mediante una red de micro controladores en un modo maestro-esclavo empleando un sistema de comunicación inalámbrica. Todas las variables anteriores fueron monitoreadas y controladas desde una interfaz gráfica. De la misma manera se implementó un sistema de riego por goteo y así se logró reducir los costos de agua y fertilizantes al suministrar únicamente los nutrientes necesarios para el desarrollo óptimo de las plantas. Gualito Olvera Miguel Jiménez Rivera José Morán Ruiz Alfredo UTEQ, Querétaro, UTEQ, Querétaro, UTEQ, Querétaro, México México México [email protected] aguila3_america20 @hotmail.com [email protected] utilización de las plantas de interior data del siglo III A.C. Las plantas estaban en recipientes de arcilla y fueron colocadas en los patios de los palacios ornamentales. En comparación con los invernaderos de hoy que permite un ahorro considerable de agua, debido a la reducción de la evaporación, debido también a la alta uniformidad de riego, todas las plantas crecen de manera similar, ya que reciben volúmenes iguales de agua. Nos da la oportunidad de medir y controlar la cantidad de agua aportada asiendo más fácil la automatización. Es posible mantener el nivel de humedad en el suelo más o menos constante y elevado, sin que lleguen a producirse encharcamientos que provoquen la asfixia de la raíz o faciliten el desarrollo de enfermedades. En comparación al sistema de riego por gravedad se reduce el consumo de agua hasta en un 60% y al impulsar el agua mediante bombeo el gasto energético es menor debido a la reducción de los consumos de agua y a las menores necesidades de presión, así mismo se reduce la mano de obra necesaria para el manejo de riego. Los equipos tienen larga vida útil, superior a los 10 o 15 años y la inversión realizada en su implementación se puede recuperar en uno o dos años. No ocasiona mayores costos ambientales ya que no produce anegamientos por saturación y evita la salinización del suelo. I. MATERIALES Y MÉTODOS Fuente de alimentación La fuente de alimentación que utilizaremos estará regulada a 12 Volts en CD, así como 5 Volts fijos de CD. Los 12 Volts los utilizaremos para los ventiladores del sistema de calentamiento así como para la alimentar los motores utilizados en las cortinas de la estructura [3]. Los 5 Volts de CD serán los requeridos por los sistemas digitales que utilizaremos. Palabras clave— Invernadero, Control PID, Automatización. I. INTRODUCCIÓN En referencias históricas del uso de plantas de interior, dos cosas son obvias: en primer lugar la introducción de plantas en macetas y en segundo lugar de la colocación de estas plantas en el interior. Mientras que las plantas nativas pueden crecer en macetas al aire libre, las plantas frutales tienen requisitos climáticos especiales y se deben cultivar dentro [1-2]. Hacia finales del siglo IV A.C., las macetas eran ya una cosa normal y los jardines de azotea no eran tomados ya como algo fuera de lo común. Los egipcios ya sentían un gran amor por las plantas y las flores. No obstante las pruebas escritas que demuestran la ISBN: 978-607-00-8778-3 Figura1. Fuente de tensión regulable Sistema de calentamiento Se compone fundamentalmente de un motor ventilador y una resistencia. La resistencia es un hilo de Nicromo con forma de muelle enroscado en una placa aislante [4-6]. Al hacer circular la corriente eléctrica por él, el hilo se pone al rojo vivo, calentando el aire que circula alrededor forzado por el motor. Página 89 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Los motores fuerzan una corriente de aire que sale del sistema de calentamiento, básicamente es como una secadora de cabello, a continuación se anexa diagrama del funcionamiento de una secadora de cabello, meramente ilustrativo. Figura2. Diagrama de Secadora de Pelo aire del interior. Además contara con 2 cortinas de 65cm que al abrirse proporcionaran un flujo de aire del exterior para aprovechar mejor la energía y su control será mediante 2 motores de 6V los cuales se encargaran de abrir o cerrar por completo las cortinas [4-8]. a) b) Figura5. a) Cortinas para Ventilación b) Motor de la cortina Módulo de Monitoreo de Nivel Figura3.Diagrama esquemático de dimmer para control de sistema de calentamiento El modulo encargado del nivel de agua del depósito constara con el sensor ultrasónico HC-SR04 el cual se alimentara a 5V el cual está colocado en la tapa que sellara el deposito en la parte superior y en dirección hacia el contenido e inmediatamente la información llegara a un circuito para la interpretación por parte del microcontrolador[4-8]. El control de este sistema se realizara por medio de un dimmer, mediante el cual se controlará la potencia que se le suministra a la carga que en este caso es la resistencia eléctrica. Sistema de Riego El sistema de riego que se implementara será por goteo el cual cuenta con un depósito de agua de aproximadamente 10L en donde se encuentra una bomba sumergible la cual suministrara de agua a presión a la línea principal de la tubería de 50 cm y donde se distribuye hacia las 6 tuberías de 40 cm (3 por cada módulo) perforadas cada 7.5 cm para el riego[4-8]. a) Figura6. Módulo de monitoreo de nivel Módulos inalámbricos de sensado Los módulos inalámbricos de sensado constan principalmente de los sensores correspondientes para el monitoreo de las magnitudes que se desean controlar y los dispositivos necesarios para el monitoreo; en este caso, el sensor LM35 para la temperatura y el sensor SEN92355P para la humedad, un microcontrolador PIC18F2520 para la interpretación y el modulo bluetooth Hc-06 para la transmisión de los datos [4-8]. b) Figura4. a) Sistema de riego por goteo b) Depósito de agua y Bomba Sumergible Sistema de Ventilación El sistema de ventilación estará compuesto por 6 ventiladores de 12V y de 4’’x 4’’, de los cuales 2 estarán encargados de introducir aire del exterior, 2 para distribuir el aire dentro del invernadero y los últimos 2 funcionaran como extractores de ISBN: 978-607-00-8778-3 Figura7. Diagrama esquemático de módulo de sensado. Página 90 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Figura8.Diagrama esquemático de módulo de recepción Figura12. Diagrama esquemático de sensor de humedad. Figura9. Modulo inalámbrico de sensado. Figura13. Sensor de Humedad. Submódulos de Sensado de Temperatura Interna Los módulos de censado de temperatura interna estarán constituidos por sensores de temperatura LM35 cuya tensión de salida es linealmente proporcional a la temperatura en grados centígrados y un circuito de acondicionamiento de 100 mV por grado centígrado, serán alimentados por una batería de 5V y toda la información que reciba el sensor será interpretara por un microcontrolador PIC18F4550. Figura14. Diseño de la estructura vista lateral. II. RESULTADOS Figura10. Diagrama esquemático de sensor de temperatura Figura11. Submódulo de sensado de Temperatura Interna. Submódulos de Sensado de Humedad Los módulos de sensado de humedad constaran de un sensor de humedad puntual SEN92355 el cual su tensión de salida es prácticamente lineal en relación con la humedad que exista en el suelo y se comporta de manera inversa a dicha humedad, su relación funcionalidad-costo es bastante buena en comparación con otros sensores de humedad en el mercado [4-8]. ISBN: 978-607-00-8778-3 Para el control de las variables se desarrollaría un sub-sistema de control PID para mantener las variables en los niveles deseados. Se desarrolló la comunicación que consta de una red de microcontroladores, para lo cual se necesitó un sistema capaz de transmitir los datos de los sensores hacia el modulo principal basado en radio-frecuencias. Se adquirieron los sensores más económicos pero que el precio no comprometiera su funcionalidad. El control de la temperatura básicamente se basó en extraer aire para reducir e introducir aire caliente para aumentarla; para la variable de humedad se mojara la tierra para aumentar y aumentar la temperatura para reducir. Se comenzó por construir la estructura del invernadero y se construyeron las bases junto con una cubierta impermeable y se instalaron los motores que accionarían las cortinas. Se elaboraron los circuitos y se realizaron pruebas de funcionamiento, se verifico el acondicionamiento en los sensores de temperatura. Se comenzaron a realizar pruebas en los módulos de radio-frecuencia y en el proceso se cambiaron por un módulo bluetooth ya que era más preciso y su costo era menor. Se elaboró el sistema de riego y se perforaron los orificios, se instaló la bomba sumergible dentro del depósito de agua. Se desarrolló la comunicación de los microcontroladores, primero se desarrolló un sistema basado en radio-frecuencias, y mientras se realizaban pruebas con este sistema se plantearon los beneficios costo-funcionalidad de los módulos bluetooth. Al terminar el proyecto e implementar todos los componentes se realizaron pruebas en base a escenarios y condiciones posibles. Página 91 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales dando así cabida para realizar pruebas de funcionamiento con anterioridad y su propia corrección en los elementos que lo necesitaran. IV. [1] [2] [3] [4] [5] Figura15. Vista superior de la integración de los componentes del invernadero. [6] [7] [8] REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA Creus Solé A. (2011). Instrumentación Industrial. Barcelona España: Marcombo. J. Clerk Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, 3rd ed., vol. 2. Oxford: Clarendon, 1892, pp.68-73. Bolton W. (2001). Mecatrónica. México: Alfaomega.K. 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Make magazine v. 18. p. 93. Fernández Iván, González Jesús & Urieta Berta & Rodríguez Jonathan. (2005). Invernarduino. 2014, de Automated Greenhouse with Arduino Sitio web: http://www.academia.edu/3630741/Invernadero_Automatizado_con_Ard uino_-_Invernarduino Figura16. Diseño de la estructura vista superior y lateral. III. CONCLUSIONES Al momento de desarrollar el proyecto una de las consideraciones más importantes que tuvimos que tomar en cuenta fue la relación directa que se encuentra entre la temperatura y la humedad, ya que experimentamos que al subir la temperatura, la humedad bajaba y viceversa. Existe una gran importancia respecto a la posición de los sensores, ya que debieron tomar algunos aspectos en este momento, como que los elementos de control no afectaran la lectura de los sensores, como la calefacción directa sobre estos, o que el flujo de agua se encontrara sobre el sensor de humedad. Al llevar un control de las actividades y el tiempo que tomaría realizarlas, así como el responsable de cada una de ellas, se administró mejor el tiempo establecido para el proyecto ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 92 Tecnologı́a de los Materiales 93 Página intencionalmente dejada en blanco. Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales DyE Sensitized Sollar Cell Scale Up From Cell to Module Renan Escalante Quijano CINVESTAV Unidad Mérida [email protected] Mérida, Yucatán Abstract El presente trabajo muestra una breve reseña de la conferencia magistral del M.C. Renan Escalante Quijano presentada en el Primer Congreso Nacional de Ingenierı́a (CONNAI) 2014. La reseña es escrita por el M.I. Pablo Cesar Carbo Vela quien realiza investigacin en el campo del conocimiento del desarrollo de celdas solares y medición a distancia de las mismas. I. R ESE ÑA Al inicio de la Conferencia Magistral se present una muestra del estado del arte de las energı́as renovables y en particular se destacó la energı́a solar. Se hizo una breve descripción del principio de funcionamiento de la celdas solares convencionales basadas en silicio y posteriormente se explicó el funcionamiento de las celdas solares sensibilizadas con colarante (DSSC) o celdas Gratzel. Se mostraron los materiales y métodos para su construcción y caracterización, ası́ como resultados a nivel celda y modular con técnicas innovadoras para ir incrementando su estabilidad y eficiencia. Su exposición se enfoco en presentar los objetivos de sus investigaciones recientes asćomo los resultados obtenidos al momento acerca de (i) la fabricación de celdas solares de alta eficiencia y (ii) investigacin en varios factores en la fabricación que influyen en el escalamiento de la tecnologı́a, en particular a módulos de 6 × 8 cm2 . Presentando eficiencias del orden de 7.8 ± 0.8%, caracterizados por una densidad de corriente de 15 ± 1.6 mA/cm2 , un voltaje de circuito abierto de 0.75 ± 0.01 V, y un factor de llenado de 69 ± 0.6%, lo cual muestra resultados competitivos a nivel investigacin y desarrollo y muy cercanos a los valores para comercializacin e industrializacin; además menciono que la celda con mejor desempeño tuvo una eficiencia de 8.8%, medido con un simulador solar. Dicho investigador mencionó que uno de los procesos usados en la fabricación de celdas solares de alta eficiencia es la activacin del FTO (vidrio conductivo); para el escalamiento, se investigó si es necesario este paso, y se encontró que la activacin mejora la eficiencia de la celda con 5%. Con varios experimentos, se mostró que si se incrementa la distancia entre los dos contactos de la celda solar, también se incrementa RFTO, ası́ generando el decremento en el factor de llenado (FF), lo que resulta en una baja eficiencia. Entonces, para el escalamiento es necesario agregar colectores de carga y se depositaron lı́neas de plata de ancho optimizado en la fabricación de los módulos. Eso resultó en mejores eficiencias, mayormente por incremento del factor de llenado. La primera prueba de fabricacin de un módulo con esta tecnologı́a alcanzó 111 mA. A partir de ellos se diseñaron, fabricarón y caracterizaron módulos en serie y paralelo para estudiar el desempeño de la celda basado en la distancia entre los colectores de carga y el área efectiva de la celda. La conferencia tuvo espectación e interés por parte del público asistente. Escrito por: M.I. Pablo César Carbó Vela, Universidad Politécnica de Victoria. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 95 Página intencionalmente dejada en blanco. Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales USO DE PLANTAS NATURALES PARA GENERAR DE ENERGÍA ELÉCTRICA. Celda solar orgánica. J. C. García, E. Rocha, P.C. Carbó Universidad Politécnica de Victoria UPV. Cd. Victoria, México. [email protected] Abstract—This paper shows the research that is done on the use of natural resources for generation of electricity. Palabras Clave— Antocianina, clorofila, electricidad, celda. I. INTRODUCCIÓN. En la búsqueda de nuevas alternativas de generación de energía eléctrica se han abordado diferentes campos de la ciencia con el objetivo de buscar opciones que no conduzcan al consumo de combustibles fósiles, el siguiente documento muestra los resultados de experimentaciones con partes de plantas naturales para generación de energía eléctrica. II. HIPÓTESIS Debido a que las plantas utilizan mecanismos para el tratamiento de la energía solar como lo es el proceso de la fotosíntesis mediante los cloroplastos y el sistema de protección contra los rayos ultravioletas mediante la antocianina, es posible poder obtener de estos mecanismos energía eléctrica de forma natural sin comprometer en gran medida el medio ambiente durante este proceso. III. ANTECEDENTES. El científico francés Alexandre Edmon Becquerel experimentando con una pila electrolítica sumergida en una sustancia de las mismas propiedades, observo que después de exponerla a la luz generaba más electricidad, así descubrió el efecto fotovoltaico en 1839. La conversión de la luz del sol en energía eléctrica también fue abordada por Albert Einstein quien investigo más afondo sobre este efecto y descubrió que al iluminar con luz violeta los fotones pueden arrancar los electrones de un metal y producir corriente eléctrica. Russel Ohl, creo las primeras células solares de silicio en 1946. Gerald Pearson de ISBN: 978-607-00-8778-3 Laboratorios Bells creó una celda fotovoltaica más eficiente de silicio. [1] En 1991 en Lausanne, Suiza, aparecen las celdas solares electroquímicas de inyección. Estas celdas llamadas celdas solares sensibilizadas por colorante tienen el potencial de ser más económicas y de bajos requerimientos de manufactura en relación a las tradicionales. [2] En el sistema de operación de una celda sensibilizada por colorante natural, el pigmento es el encargado de la captación de luz solar visible al ojo humano, cuyo rango de operación se sitúa en los 535 nanómetros el cual combinado con un semiconductor nanocristalino de dióxido de titanio, así como, un electrolito, constituyen las partes principales de esta doble captación de energía solar. Los rangos de trabajo de los semiconductores de las celdas sensibilizadas por colorante natural son los siguientes: 1.- Dióxido de titanio. Absorbe en el espectro menor o igual a 400 nanómetros. 2.- Silicio. Absorbe en el espectro de 300 nanómetros hasta 1.1 micrómetros. 3.- Nitruro de Galio. Absorbe en longitudes de onda menores al del Silicio. Los paneles solares fabricados con los materiales antes descritos dependen de procesos de fabricación que emplean energías no limpias, el silicio o arseniuro de galio tienen que extraerse de la Tierra y luego son transformados en diferentes procesos para poder colocarlos en el panel, sin dejar de mencionar los desechos contaminantes de las empresas que fabrican los paneles.[3] Página 97 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales En 2010 se estimaba que se generarán en la Unión Europea más de 7.000 toneladas de residuos solares. Será en 20202025 cuando se empezará a registrar un incremento importante de desechos, ya que las primeras instalaciones fotovoltaicas a gran escala datan de los años 90. Para el horizonte 2030 se estima que se producirán unas 130.000 toneladas de este tipo de residuos. ¿Qué hacer con ellos? [4]. Por tal motivo aun en esta tecnología limpia solo en su operación, se busca minimizar el impacto ambiental y si en la búsqueda se encuentran mejores rendimientos habremos cumplido realmente con la tarea. Que sea una tecnología limpia desde su fabricación hasta su disposición como desecho. IV. ESTADO DEL ARTE. Actualmente se encuentran en desarrollo diversas celdas construidas con algún semiconductor y un pigmento natural para elevar la eficiencia de la celda. Estas celdas llamadas Celdas Fotovoltaicas Sensibilizadas por Colorante Natural son un campo nuevo de investigación para el desarrollo de una celda que tenga costos de construcción más económicos que las de silicio. En el año 2012 se publica un artículo sobre un trabajo de investigación realizado en la Universidad de Vanderbilt, Nashville, Tennessee, EUA [5], el cual se centra en las propiedades de la espinaca con el fin de generar electricidad. Se menciona la combinación de una proteína fotosintética de la planta combinada con un semiconductor, en este caso el silicio. Así mismo, denominan a estas celdas como “biohibridas”. Ellos reflexionan que de un panel de 0.6 metros se podrían sacar de 100 miliamperios a un volt. En esta proteína conocida como PS1 se encontró que convierte la energía eléctrica con una eficiencia casi del 100%, en comparación con la eficiencia de conversión de menos del 40% obtenida por dispositivos artificiales. En noviembre de 2012 también se encuentran evidencia de trabajos directamente con las plantas en su habitad, Científicos de la Universidad de Wageningen, en los países bajos, han encontrado una célula de combustible vegetal y microbiana capaz de generar electricidad a partir de la interacción natural entre las raíces de las plantas vivas y las bacterias del suelo. Se reportan datos como el poder obtener 0.4 Vatios por metro cuadrado de cultivo de plantas. [6] [7] V. DESARROLLO EXPERIMENTAL. Durante la primera fase de la experimentación de confirmó de manera directa que en las plantas naturales es posible medir un nivel de voltaje con un equipo de medición como lo puede ISBN: 978-607-00-8778-3 ser el voltímetro. Durante esta etapa se seleccionó como planta para el desarrollo de las demás pruebas a la espinaca, con esta se tiene el mecanismo natural de conversión de la energía solar en electrones para la elaboración de azucares durante la fase oscura de la planta. Así mismo, se seleccionó un fruto rojo como otro elemento que involucra una mayor absorción de rayos ultravioleta de forma natural, siendo este la zarzamora. Los primeros prototipos involucran los anteriores descritos combinados con grafito en forma líquida el cual realizara las funciones de medio transportador de los electrones que sean generados por el proceso de la fotosíntesis en los fragmentos de hojas de espinacas. Los resultados obtenidos como se hizo en el efecto fotovoltaico fueron voltajes superiores a 0.5 Volts en una área de 2 cm^2, estos fueron registrados en un prototipo de monitoreo local implementado en Labview, los valores máximo obtenidos fueron de 0.72 volts en circuito abierto y una corriente de corto circuito de 1.8 mAmp, estos al medio día, los materiales utilizados como ánodo y cátodo fueron cobre y aluminio, montados en vidrio templado sin características conductoras, fueron dejados a la intemperie sin protección alguna, debido que el sellado solo se realizó con fines preliminares el material de grafito perdió humedad y la corriente disminuyó. El uso de estos elementos difiere de las celdas sensibilizadas con colorante natural. Distinguiéndose se utiliza semiconductor alguno, no se utilizan conductores, no hay un proceso de fabricación temperatura, no se adiciona electrolito. solares que no vidrios a alta En estos experimentos se utiliza la conversión natural de la luz por medio de la clorofila y mostrando una mejoría en la eficiencia con la combinación de la antocianina presente en el jugo de zarzamora. Este prototipo demuestra que es posible superar los niveles de voltaje de salida de las celdas sensibilizadas con colorante variando su construcción, ya que la medición de 0.72 volts en 2 cm^2 es un valor muy por encima de lo que ofrece actualmente las celdas con colorante en presencia de un semiconductor. La construcción de los diferentes modelos de prueba se realizó a condiciones ambiente no controladas. En los primeros minutos posterior a la construcción se registraban lecturas de voltaje menores a 0.5 Volt, conforme pasaba el tiempo la lectura de voltaje subía a un valor aproximado de Página 98 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales 0.6 Volts, estas son en condiciones de sombra, al tercer día después de la construcción el prototipo es expuesto a la luz solar registrando un máximo voltaje en circuito abierto de aproximadamente 0.72 Volts. El valor máximo de corriente de corto circuito se registra en 1.8 mAmp. El tiempo máximo de exposición a la intemperie antes de la disminución del voltaje fue de cuatro semanas. En este tiempo se mide un valor de voltaje a circuito abierto menor a 0.05 Volts el prototipo es dejado a la intemperie nuevamente para ver su reacción a la continua luz solar. Pasadas dos semanas después de la detección del bajo voltaje se procede a inyectar una mínima cantidad de grafito líquido, mostrando una recuperación total del voltaje pero no es suficiente para que la corriente regrese a los valores medidos en los días posteriores a la construcción de la celda. Actualmente se han realizado pruebas utilizando vidrios conductores que ya habían sido utilizados en las celdas convencionales con Dióxido de titanio. Aunque los vidrios fueron frotados con alcohol para eliminar residuos, el comportamiento con la clorofila y la antocianina no es igual al que se registró en el inicio de las experimentaciones. Este comportamiento supone que existen residuos del semiconductor en el vidrio que no son perceptibles a simple vista. Recordando que este prototipo varía del primero debido a que se reemplaza el ánodo y cátodo de aluminio y cobre, así también, el vidrio templado, por las superficies del vidrio conductor. Los resultados obtenidos muestran un comportamiento similar al de la primera celda en algunos aspectos. Por mencionar, se tiene un voltaje menor en las primeras horas después de la construcción y posteriormente se registra un incremento, se confirma que el mejor diseño de construcción es el que contiene una combinación de clorofila y antocianina. En estos vidrios el valor de la corriente generada a la exposición del sol es muy baja, esto confirma que se debe seleccionar un ánodo y cátodo adecuados para la transmisión de electrones obtenidos durante la conversión de energía solar. Retomando las experimentaciones sin vidrios conductores se observó que la planta durante el tiempo de exposición al sol esta incrementaba su valor de corriente, los intervalos de corto circuito fueron prolongados por más de 10 horas, tiempo en el cual se registró la subida constante conforme se llegaba a la hora de máxima incidencia solar, alrededor de las 2 pm. ISBN: 978-607-00-8778-3 Bajo este esquema de pruebas el único elemento que sufría deterioro por falta de sellado hermético era el grafito líquido. Sin embargo, cuando la celda estaba a la sombra continuaba presente el nivel de voltaje superior a 0.5 Volts y al cortocircuitar la celda se conseguían valores de corriente aproximados a los instantes de exposición al sol. El resultado de una configuración de corto circuito durante la noche tuvo un impacto negativo en la celda, se hizo evidente la degradación bajo estas circunstancias. Comprobando las evidencias de la experimentación que demostró que el ciclo del carbono se realizaba en la fase oscura de la planta, con esto se puede explicar esta degradación cuando es eliminada la regeneración natural al mantener en corto circuito a la celda. VI. TRABAJOS PEDIENTES. Hasta este punto de la investigación se ha documentado el comportamiento de los componentes naturales bajo la acción de las propiedades del aluminio, los experimentos y cobre, en las celdas sensibilizadas por colorante natural utilizan vidrios conductores que contienen en su estructura conductiva oxido de indio y estaño, el comportamiento de los elementos naturales varía en gran medida por esta características. La próxima etapa en la investigación será el desarrollo de pruebas con vidrios conductores nuevos, para eliminar cualquier componente de Dióxido de Titanio que pueda quedar como residuo en las superficies de los vidrios. Así también, se desarrollara un prototipo considerando al aluminio y cobre como ánodo y cátodo, modelo que hasta este momento en el que la experimentación no involucra dióxido de titanio ha sido el de mejor desempeño. También se construirá un prototipo con Dióxido de Titanio utilizando como electrolito al grafito líquido y vidrios conductores nuevos. VII. CONCLUSIONES. Este trabajo de investigación ha confirmado que es posible obtener energía eléctrica de los procesos naturales que se llevan a cabo en las plantas. Los primeros prototipos difieren en su construcción de las celdas sensibilizadas con colorante natural en el uso de la clorofila como un agente natural para la conversión de energía solar y no se utiliza un semiconductor de bajo costo como el Dióxido de Titanio, se utiliza grafito sustituyendo al Yoduro de Potasio-Yodo en etilenglicol como electrolito, se sustituyen los vidrios conductores por aluminio cobre y vidrio templado, no es necesario el proceso térmico a Página 99 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales 450°C para el tratamiento de sus elementos como lo es con el Dióxido de Titanio. En los resultados obtenidos, se supera el valor de voltaje a circuito abierto que han logrado las celdas sensibilizadas por colorante natural en 2 cm^2, se tiene mayor tiempo de exposición al sol en corto circuito que un prototipo con Dióxido de titanio, presentando solo perdida de grafito liquido por el sellado provisional. La corriente de corto circuito supera las expectativas tratándose de proceso natural sin la presencia de semiconductor, al igual que la celda de Silicio en su inicio, esta presenta una eficiencia baja en la conversión a corriente, siendo apenas del 1%. Estos resultados muestran un potencial de investigación para obtener mejores resultados sin la necesidad del semiconductor. Es importante también la unión de los avances de las celdas sensibilizadas por colorante natural y estos prototipos sin semiconductor para el desarrollo de una celda que pueda competir contra la de Silicio. Por este motivo uno de los prototipos finales será con la presencia de un semiconductor de bajo costo como el Dióxido de Titanio. [4] Página de seguridad global y emergencias. Artículo publicado en 4 de junio de 2010, fecha de consulta febrero 19 de 2014. http://www.belt.es/noticiasmdb/home2_noticias.asp?id=9 817 [5] Pagina SOLiCLIMA, energía solar, artículo publicado el 16/09/2012. Fecha de consulta 18 Febrero de 2014. http://news.soliclima.com/noticias/energiasolar/estudiantes-universitarios-de-la-vanderbilt-creanceldas-solares-hechas-con-espinacas-verdes. [6] Revista electrónica de ciencia, tecnología. Fecha de consulta 18 Febrero de 2014.http://www.tendencias21.net/Raices-vegetales-ybacterias-una-inesperada-fuente-deelectricidad_a14300.html. [7] Video, pagina consultada en 18 de febrero de 2014. http://es.euronews.com/2013/04/29/producirelectricidad-mediante-las-plantas/. Este proyecto busca no tener un impacto ambiental cuando alguno de sus componentes sean dispuestos de manera accidental en algún rio o en la tierra debido que no se cumplirá con la definición de celda orgánica, en algunos prototipos de Dióxido de Titanio se ha combinado con Rutenio como colorante artificial para el mejoramiento del desempeño del semiconductor, sin embargo, este elemento es altamente peligroso para la salud humana. VIII. REFERENCIAS. [1] Guadalajara Jalisco 17 de febrero 2014. http://www.econotecnia.com/historia-de-los-panelessolares.html. [2] Estudio de las Celdas Solares de Dióxido de Titanio Nanocristalinas Sensibilizadas con Colorante. Tesis Maestría, Pablo César Carbó Vela. 2011. Universidad Politécnica de Victoria. [3] Página de diario la tercera, fecha de consulta 19 febrero de 2014. http://diario.latercera.com/2012/03/04/01/contenido/tend encias/16-102673-9-residuos-en-produccion-depaneles-solares-crean-dudas-de-su-efectividad.shtml. ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 100 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Manufactura de Cerámicos de Matriz base Alúmina (Al₂₂O₃₃) Reforzados con Nanopartículas de Titanio (Ti) Sergio J. Esparza Vázquez, Jose A. Rodríguez García y Enrique Rocha Rangel Universidad Politécnica de Victoria Cd. Victoria, Tamaulipas, México [email protected] Abstract—In this work there is proposed a route of manufacture of Al2O3-based functional materials reinforced with titanium and later formation in-situ on the surface of the same ones of thin TiO2, TiC or TiN layers, situation that is obtained through different thermochemical treatments such as; oxidation, cemented and nitrured respectively. This route of processing arises with the idea of making materials with a surface hard and resistant to the corrosion attack, and with a core with good toughness. After thermochemical treatments in all cases realized observations with the help of a scanning electron microscopy in the transverse zone of the microstructure of each sample, let to determine the formation of thin layer with sizes of 20, 50 and 100 microns thickness, in these layers with the aid of energy dispersive spectroscopy they were identified the presence of TiN, TiO2 and TiC constituents in Al2O3/Ti samples nitrured, oxide and cemented respectively. Likewise, microhardness measurements on the surface and in the core of each sample help to determine the effect of nitrides, oxides or carbides formation on the hardness of Al2O3/Ti composites. Keywords—Functional materials, Alumina, Titanium, Reinforced Functional materials, Alumina, Titanium, Reinforced I. INTRODUCTION Ceramic materials possess favorable mechanical properties such as: high hardness, high compressive strength, good chemical and thermal stability and a high elastic modulus, but generally, ceramic materials are highly fragile, this is because cracks easily propagate in ceramics and therefore they might cause unpredictably fail in service [1-2]. The incorporation of several reinforcement materials such as; ceramics, metals and intermetallics compounds into an Al2O3 matrix forming a composite material has been proved to be an effective experimental route to improve toughness of the ceramic [3-6]. On the other hand, a functionally graded material (FGM) is a composite consisting of two components, characterized by the presence of a chemical gradient from one component to the other. Resulting in corresponding changes in the properties of the material. The materials can be designed for specific function and applications. Various approaches based on the bulk (particulate processing), preform processing, layer processing and melt processing are used to fabricate the functionally graded materials [7]. ISBN: 978-607-00-8778-3 Elizabeth Refugio García Departamento de Materiales, Universidad Autónoma Metropolitana México D. F., México Given the need to improve conversion efficiency in thermal cycles as in the case of turbines, this has provoked the necessity for new materials with the capacity to work at high temperatures without suffering damage in both; structure and chemical composition (8). FGMs that consist of nitride, carbide and oxide ceramics have received special attention for their use in those applications, because they meet up with those characteristics (7). The aim of this study is to produce an Al2O3-based functional material with a layer on its surface of TiN, TiO2 or TiC, starting from an Al2O3/Ti composite. II. EXPERIMENTAL The preparation of materials was as follows; firstly the production of an Al2O3/Ti composite and secondarily the production of the functional material. The raw materials for the production of the Al2O3/Ti composite were: Al2O3 powders (99.9 %, 1 µm, Sigma, USA) and titanium powders (99.9 % purity, 1-2 µm, Aldrich, USA). The amount of powders used was that allows at the end of the processing to obtain an Al2O3-10 vol. % Ti composite material. The powders were milled and dry mixed in a horizontal mill, using a rotation speed of 300 rpm, during 12 h, with the help of ceramic jars and using YSZ's balls as grinding elements, the relative weight of balls/weight of powder was 30:1. The powder mixtures were made into cylindrical samples by uniaxial pressing using 400 MPa with the following dimensions: 20 mm in diameter x 3 mm in thickness. Afterwards, the pressed samples were pressureless sintered at 1500°C during 2 hour in an electrical furnace with argon atmosphere. The rates of heating and cooling were kept constant and equal to 10 Kminute-1. The characterization of the synthesized products was as follows: density was evaluated by the Archimedes' principle, microhardness measurements were evaluated with the help of a Vickers indenter. The microstructure of the composites was observed with a scanning electron microscope (SEM). For the formation of the FGMs, Al2O3-10 vol.% Ti composite were submitted to different thermochemical treatments, as follows: For the obtention of the Al2O3/Ti/TiO2 FGM, samples were during 24 h at 500°C in an electrical furnace with air atmosphere. In the case of the Al2O3/Ti/TiN FGM, samples were nitriding in an Página 101 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales ammonia salts bath, plunging them during 24 h to a temperature of 570°C. Al2O3/Ti/TiC FGM were obtained by placed Al2O3-10 vol. % Ti composite inside a graphite-made container. Inside the container the sintered-compact sample was totally surrounded by the cementing medium (powdered activated carbon) and then heated in vacuum up to 500°C for 8 h. The later set arranged in order to induce carbon diffusion into the sample and to cement titanium particles that are found near the surface of the composite, before being allowed to cool down inside the furnace. Finally, the microstructures of all FGMs samples were observed by scanning electron microscopy (SEM), this SEM was equipped with an energy dispersive spectroscopy detector (EDS), on the way to realize chemical analyses in the samples’ microstructure, also measurements of microhardness in the transversal section of the same ones were carry out. represented by small particles homogeneous distributed in the matrix. At the same time it is possible to observe that second phase particles are localized at intergranular zones of the matrix. On the other hand, it is likely to detect that sintered sample there is the presence of small porosity, Confirming in this way the measurements of density realized in sample and previously reported. On the basis of (EDS) analyses that are accessible also in Figure. 2, it is deduced that the gray phase corresponds to the alumina matrix and the tiny white phase corresponds to the titanium added into the ceramic matrix. The main titanium particle size has an average of 1 µm, whereas the main alumina grain size has an average of 10 µm. III. RESULTS AND DISCUSSION A Powders mixture Size and morphology of alumina-titanium mixture powders after the milling stage is shown in Figure. 1. This figure shows agglomerated particles, the formation of the agglomerated is due to the very small size of the particles after the milling stages; the particle size of the powder mixture is in the order of nanometers (~200 nm). This photograph shows round particle shapes, typical of conventional high energy milled powder. A good dispersion between titanium and alumina particles is expected. Figure 1. Size and morphology of alumina-titanium mixture powders after 12 h grind. B Density The relative density reached by composites after stage 1 was 96% for composites sintered at 1500ºC during 2 h. From these values it is evident a good consolidation of the Al2O3-10 vol.% Ti composite. This must due to the activation of transport phenomena at the sintering temperature, than let atoms migration during sinter, situation that is reflected in good final density. Figure 2. Microstructure and EDS spectrum of the sintered Al2O3-10 vol.% Ti composite at 1500°C during 2h D Al2O3/Ti/TiO2 functional material microstructure As was commented before, the Al2O3/Ti composites fabricated in stage 1 were submitted to a thermal treatment of oxidation in air, in which chemical reaction (1) took place, this reaction occurs between the fine titanium particles that are present close to the composite’s surface and the oxygen of the air. In this way Al2O3/Ti/TiO2 functional materials were obtained. These materials were also analyzed by SEM. Figure 3 presents images at different magnifications of the surface of the new materials showing a very thin oxide film of about 50 µm thickness. In Figure 3 there is a certain surface layer displaying a slightly different color contrast with respect to the Al2O3-bulk matrix. Such a contrast, in practice exhibited a similar texture to the oxide region. So that between the oxide layer and the non-oxide region, there is an intermediate zone which consists of partially-oxide Ti particles. Therefore, moving from the outermost surface part into the bulk of material, three specific regions have been detected, featuring: (1) fully oxide metal particles, (2) partially oxide particles and (3) metallic particles not being oxide. C Al2O3/Ti composite microstructure Figure 2 shows microstructure picture taken with the help of SEM in the sintered Al2O3-10 vol.% Ti composite at 1500°C during 2h. From these picture they have that in microstructure there is the presence of two different phases, one gray phase that correspond to the ceramic matrix and a white phase ISBN: 978-607-00-8778-3 Figure 3. Scanning electron images in transverse section of the Al2O3/Ti/TiO2 functional materials produced by oxidation of Al2O3/Ti composites in air at 500°C during 24 h. Página 102 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Ti + 1/2O2 → TiO2 (∆G = - 850 kJmol-1) (1) E Al2O3/Ti/TiN functional material microstructure Al2O3/Ti composite fabricated in stage 1 were submitted to a thermal treatment of nitriding in ammonia salts, in where chemical reaction (2) take place, this reaction occurs between the fine titanium particles that are present close up to the composite’s surface and the nitrogen released by the ammonia salts. In this way Al2O3/Ti/TiN functional materials were obtained. These materials also were analyzed by SEM observations, in Figure 4 are presented pictures of the surface of the new materials showing a very thin nitriding film of about 20 µm thinness for both composites. In Figure 4 there is a certain surface layer displaying a slightly different color contrast with respect to the Al2O3-bulk matrix. Such contrast, in practice exhibited similar texture to the nitride region. So that between the nitride layer and the non-nitride region, there is an intermediate zone which consists of partially-nitride Ti particles. Therefore, moving from the outermost surface part into the bulk of material, it has been detected three specific regions, featuring: (1) fully nitride metal particles, (2) partially nitride particles and (3) metallic particles not being nitride. non-cemented region, there is an intermediate zone which consists of partially-cemented Ti particles. Therefore, moving from the outermost surface part into the bulk of material can be detected three specific regions, featuring: (1) fully cemented metal particles, (2) partially cemented particles and (3) non cemented metallic particles. Formation of TiC occurs through chemical reaction (3) Figure 5. Scanning electron images in transverse section of the Al2O3/Ti/TiC functional materials produced by cemented of Al2O3/Ti composites in a cementing packing at 500°C during 8 h. Ti + C → TiC (3) (∆G = -180.6 KJ/mol) F Hardness Figure 4. Scanning electron images in transverse section of the Al2O3/Ti/TiN functional materials produced by nitriding of Al2O3/Ti composites in ammonia salts at 570°C during 24 h. Ti + N → TiN (2) Results of micro-hardness measurements performed in different zones on the transverse section of the FGMs are presented in Figure 6. In this figure it is possible to observe that in the three kinds of samples hardness is reduced gradually from its surface to the core. This behavior is due to the formation of the corresponding layer of TiO2, TiN or TiC on the surface of the samples, which is harder than the Al2O3/Ti composite that is mainly present in the direction of the core, moving from the surface of the sample. (∆G = -308 KJ/mol) Figure 5 shows a cross section SEM-view of alumina-10 vol.% Ti specimen after the cementation process. EDSmicroanalysis conducted both at the white particles at the edge and in the core of the sample confirmed the existence of elemental carbon, particularly being more concentrated at the specimen´s edge. As long as the qualitative analysis is conducted at inner zones of the composite, the carbon concentration diminished. Not evident from this picture, there is a certain surface layer of about 100 µm displaying a slightly different color contrast with respect to the Al2O3-bulk matrix. Such contrast, in practice exhibited similar texture to the cemented region. So that between the cemented layer and the ISBN: 978-607-00-8778-3 Figure 6. Hardness results performed in different zones on the transverse section of the functional materials. Página 103 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales IV CONCLUSIONS Hardened Al2O3-based composites can effectively be produced by inducing fine dispersions of TiO2/Ti, TiN or TiC through a combination of experimental techniques, such as; mechanical milling, pressureless sintering (in argonatmosphere) and a oxidation, nitriding or cementing process respectively. The later provided that Al2O3, Ti and fine precursor powders are brought together to react upon sintering to forming a functionally-graded- layer after thermochemical treatment. This in-situ synthesis method produces composites that are greatly sinterable and do exhibit enhanced surface hardness. ACKNOWLEDGMENT Authors would like to thank to CONACyT, by the support offered for the accomplishment of the research work through Project 132406. ISBN: 978-607-00-8778-3 REFERENCES [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] S.J. Ko, K.H. 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Página 104 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES AISLANTES OBTENIDOS A PARTIR DE DESECHOS METALÚRGICOS Y PRECURSORES DE TITANATOS DE POTASIO. Zinthia A. Ayala M., Manuel de J. Barrena R. Hector Diez R. Universidad Politécnica de la Region Ribereña Cd. Miguel Aleman, Tamaulipas [email protected] Jose L. Rodriguez G. CINVESTAV Saltillo La producción de nuevos materiales cerámicos aislantes, ha tenido un gran interés en los últimos años ya que cuentan con características únicas que los transforman en excelentes candidatos para un gran número de aplicaciones industriales. Entre los materiales elegidos como materia prima para la fabricación de estos materiales aislantes se encuentran: las escorias metalúrgicas, caolín mineral y los titanatos de potasio. Se sintetizó un material compósito constituido por 1 sistema aglomerante, a partir de la mezcla inicial de materias primas cuya composición fue: 15% Caolín, 35% Titanatos de potasio, 50% Escoria de alto horno. La obtención de los titanatos de potasio se llevó a cabo empleando la ruta de síntesis en sales fundidas mediante reacciones en el estado sólido (1). Se realizaron tratamientos térmicos de sinterización a 1250°C durante un tiempo de permanencia de 2hr. Una vez sinterizados los sistemas fueron caracterizados mediante: análisis químico, análisis por DRX para determinar la cantidad de fases cristalinas presentes y su evolución durante el tratamiento térmico además de MEB. Se llevaron a cabo diversas pruebas mecánicas: Densidad, Resistencia a la Flexión en 3 puntos y Dureza Vickers. Keywords— Compositos; Nuevos Metalúrgicos; Titanatos de Potasio Materiales, aluminios, está siendo considerada para un gran número de aplicaciones. Entre los cerámicos, que pueden producirse mediante la combinación de diversos materiales, son dos con gran potencial: (1) titanatos de potasio (2) escorias metalúrgicas. Los titanatos son compuestos prometedores que pueden ser utilizados como agentes de reforzamiento; mientras que las escorias metalúrgicas son utilizadas para producir materiales vitrocerámicos. El principal objetivo de este trabajo es desarrollar nuevos materiales cerámicos aislantes en base a mezclas utilizando precursores de titanatos de potasio, caolín, escorias de alto horno (EAH) en diversas relaciones en peso. La reactividad de las materias primas durante el tratamiento térmico, promueve la formación de materiales cerámicos compuestos, se espera que estos presenten buenas propiedades mecánicas y térmicas, con la finalidad de obtener compósitos cerámicos para ser aplicados como aislantes dentro de la industria de los materiales refractarios. Desechos II. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Hoy en día es necesario producir nuevos materiales cerámicos con propiedades superiores a los existentes, sin embargo esto implica desarrollar métodos de fabricación complejos o el empleo de materias primas alternativas [1]. Entre los candidatos a considerar están los desechos metalúrgicos, tales como la escoria de alto horno; ésta ha atraído un gran interés en la fabricación de nuevos materiales compósitos, ayudando a reducir los efectos de contaminación ambiental y abren un nuevo camino a la investigación y desarrollo de nuevos materiales funcionales con buenas propiedades térmicas, eléctricas, mecánicas, ópticas y magnéticas [2], debido a sus características tales como lo son composición química, estado amorfo [3] y bajo costo. Las relaciones de las mezclas de las materias primas seleccionadas, fueron determinadas en base a la relación molar empleada por E. Sánchez y col. [4]. La obtención de los titanatos de potasio se empleó la ruta de síntesis en sales fundidas. Utilizando una mezcla de 85, 5 y 10% e.p. de KNO3 (Marca Jalmek 99.5% de pureza), KOH (Marca Jalmek 99.9% de pureza) y TiO2 (Marca spectrum 99.9% de pureza). El KNO3 y KOH fueron mezclados por 10 minutos en un mortero de porcelana, posteriormente se introdujo la mezcla dentro de un crisol de acero inoxidable con capacidad de 1 litro, se empleó una mufla Barns-tead/Thermolyne, modelo 62700, el tratamiento térmico fue realizado hasta 500°C/1hr. Para este propósito se empleó una velocidad de calentamiento de 10°C/min. Al estabilizar la temperatura en el baño de sales se añadió el TiO2, dejándolo reaccionar a 500°C/1hr. La producción de nuevos materiales cerámicos utilizados como aislantes dentro de la industria de la fundición de La activación mecánica de la escorias se llevó a cabo en un molino con bolas de acero por un tiempo de 6 hr. utilizando I. INTRODUCCIÓN ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 105 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales una relación en peso bolas/carga de 3:1 y etanol como medio dispersante; una vez preparadas las materias primas y definida la relación de porciento en peso (titanatos de potasio, escorias y caolín), fueron sometidos a una etapa de homogenización con una permanencia de 2 hr; se empleó para este propósito un molino de alúmina; posteriormente se llevó a cabo un prensado uniaxial utilizando una prensa hidráulica CARVER NC modelo 4350; empleando 80g de material, el cual fue colocado en el interior de un dado de acero rectangular (70 mm de ancho, por 43 mm de largo y 12 mm de altura) , aplicando 8 ml de H2O, la carga utilizada fue de 6 Ton. Se realizaron tratamientos térmicos de sinterización a 1250°C empleando un horno eléctrico LINDBERG/BLUE-M durante un tiempo de permanencia de 2 hr., las fases obtenidas después de los tratamientos térmicos fueron identificadas mediante DRX. Las microestructuras de los materiales obtenidos fueron observadas mediante Microscopia electrónica de barrido en un microscopio Philips XL30 ESEM utilizando un voltaje de aceleración de 20-30 KV y el detector de electrones retrodispersados a una distancia de trabajo de 10mm. Previo al análisis de MEB las muestras fueron preparadas ceramograficamente y recubiertas con una película de grafito para lograr una superficie conductora, empleando una evaporadora JEOL JEE-400 operada a un vacío de 4.6x10-4 Pa, con una intensidad de 40-50 A de corriente alterna. La densidad fue medida utilizando el principio de Arquímedes. Se utilizó una balanza analítica (Ohaus, Explorer) equipada con los accesorios para medición de densidad. Las mediciones se realizaron de acuerdo a la Norma ASTM C2000[4]. Para la determinación de la dureza Vickers (Hv) se empleó un durómetro modelo Wilson Tukon 300FM, con capacidad de carga de 1 hasta 10 kg, el cual cuenta con un microscopio óptico integra-do. El penetrador utilizado es una pirámide de base cuadrada en diamante, con un ángulo entre caras (2φ) de 136°. Los experimentos fueron realizados de acuerdo a la Norma ASTM C1327/03 para cerámicos. Para el presente proyecto de investigación la carga usada fue de 10 kg; se realizaron un mínimo 10 impresiones para la formulación estudiada. Las observaciones cualitativas, y la medición de la diagonal de la huella y de la longitud de las grietas producidas por la indentación se realizaron mediante un Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) Philips X130 ESEM, utilizando un voltaje de aceleración de 20 KV. Previamente a las observaciones, las muestras se recubrieron de plata en una evaporadora JOEL JEE-400. Las pruebas de flexión en tres puntos se llevaron a cabo empleando una máquina de ensayos universales MQU-LPF-01 MTS Q TEST/100, con velocidad de avance del cabezal de 0.5 mm/segundo. La máquina está provista con el software TestWorks. El cabezal es complementado con un equipo diseñado para que se ajuste a las dimensiones de las probetas. Se realizaron un mínimo de 10 pruebas para la formulación estudiada. III. RESULTADOS A. Caracterización inicial: Materias primas La composición química de las escorias de alto horno; se presenta en la TABLA I y la TABLA II; para la escoria de alto ISBN: 978-607-00-8778-3 horno se indica la presencia de 4 óxidos principales (MgO, CaO, Al2O3 y SiO2) con un porcentaje muy bajo de TiO2, dichos óxidos son precursoras para formar el material vitrocerámico. Existe también la presencia de (Fe2O3, NaO2 y K2O), la presencia de Na y K contribuyen a disminuir el punto de fusión. TABLA II Composición química de la escoria de alto horno. Óxidos Na2O MgO Al2O3 SiO2 K2O (% e.p.) 0.8 9.4 10.8 34.2 0.8 TABLA III Composición química de la escoria de alto horno (CONTINUACION). Óxidos CaO TiO2 MnO Fe2O3 (% e.p.) 37.4 1.3 0.5 0.5 Fig. 1 Micrografía de la escoria de alto horno tomada con electrones secundarios a 5000X; y Espectro de EDS de la Escoria de alto horno La Fig. 1 muestra la morfología de las partículas de escoria de la EAH la cual se observan poros interconectados y una morfología de hojuelas, esto debido a la velocidad de enfriamiento que es llevada a cabo con agua a presión, se muestra el espectro de EDS, donde se observa la presencia de los principales elementos que componen la matriz vitrocerámica C, O, CO, Mg, Al, Si y Ca. Página 106 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales B. Titanatos de Potasio La TABLA III muestra la composición química de los titanatos de potasio; ésta fue analizada por Espectrofotómetro de emisión óptica por plasma acoplado inductivamente (ICP) TABLA IV . Composición química de los titanatos de potasio. Óxidos (% e.p.) K2O TiO2 18.4 81.6 La Fig. 2 corresponde a los titanatos de potasio a) muestra las partículas en forma de agujas y aglomerados la parte inferior corresponde al espectro de EDS, donde se observa la presencia de C, O, Mg, K, Ti, Ni, CO y Si. Fig. 3 Patrón de DRX de la composición: a1 material sintetizado a 1250 °C; con EAH. La Fig. 4 muestra la microestructura del material composito: se constituye de perovskita, CaTiO3, con una tonalidad grisácea, augita de titania, (Mg,Fe,Al,Ti)(Ca,Fe,Na,Mg)(SiAl)2O6, como cristales blancos, mullita (Al4.52Si1.48O9.74), como cristales con tonalidad gris clara (parte inferior) y anortita (CaAl2Si2O8), con una tonalidad obscura. Así mismo, se presenta porosidad cerrada. Se encontró la fase de color gris claro perteneciente a la (a) pseudobrokita (Fe, Ti, O) (c), de tonalidad blanca (d) rutilo (Ti, O). D. Propiedades mecánicas: materiales sintetizados. 1) Densidad, Volumen de poros abiertos y Porosidad aparente La TABLA IV muestra los promedios de densidad y porosidad aparente, obtenidos para el sistema propuesto. Se realizaron un total de 10 mediciones para el sistema antes mencionado. Se encontró en la literatura que los titanatos de potasio y las escorias presentan densidades muy similares y relativamente bajas [4]. No obstante, las densidades que se obtuvieron para sistema propuesto cae dentro de los rangos reportados en la literatura [6] para materiales compósitos y en el rango de densidades reportadas para materiales utilizados en matrices vítreas y vitrocerámicas reforzadas [7]. Se cree que este comportamiento se atribuye a una mayor densificación derivada de la unión de partículas durante el tratamiento térmico. Fig. 2 Micrografía tomada con electrones secundarios a 5000 X ; y espectro de EDS de titanatos de potasio C. Caracterización de los materiales compósitos sintetizados. En la Fig. 3 se muestra el patrón de difracción del material compuesto: 15% Caolin, 35% Tinatos de Potasio, 50% EAH, se detectaron las fases de: Augita de titania (Mg, Fe, Al, Ti)(Ca,Fe,Na,Mg)(SiAl)2O6, y Anortita CaAl2Si2O8, estas fases cristalinas se formaron debido a la interacción química entre los constituyentes, y son fases constituidas por soluciones sólidas, de la familia de los piroxenos; al igual que la mullita (Al4.52Si1.48O9.74.). ISBN: 978-607-00-8778-3 El valor de dureza obtenido para el sistema desarrollado fue de 2.45254.3 Hv 10 este presentó una menor resistencia a la penetración de acuerdo a lo reportado por la literatura [8]. Es interesante indicar que no existe la formación de grietas alrededor de las huellas; este comportamiento es atribuido a la absorción de energía que presenta el material; no obstante, materiales con características similares se utilizan en áreas donde se necesita absorber energía de impacto como los utilizados para aislantes. Página 107 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales presento una resistencia mecánica adecuada; los aislantes térmicos normalmente sólo necesitan soportar su propio peso debido a que no están sometidos a esfuerzos de flexión. IV. CONCLUSIONES Los sistemas con escoria de alto horno presentaron la formación de las fases cristalinas Anortita, Augita de titania, estas pertenecen al grupo de los Piroxenos, formando soluciones sólidas al permitir la incorporación de diversos cationes metálicos en su estructura cristalina. Se observó además la formación de Perovskita y Mullita. Por otro lado, en los sistemas con escoria de ferro aleación se formaron las fases cristalinas de Rutilo, Augita, Anortita y Leucita en diferentes proporciones, con respecto a los sistemas con escoria de alto horno. Así mismo, todas las fases encontradas presentan un alto punto de fusión (1250 °C). La temperatura de tratamiento térmico promueve la interacción química entre los óxidos presentes en las materias primas, resultando en un producto final prometedor para la industria de refractarios. Las huellas del indentador piramidal indican que los materiales tienen la capacidad de absorber la energía (fuerza aplicada), haciéndolos promisorios como materiales resistentes al impacto.El sistema investigado presenta buenas propiedades mecánicas, lo que lo hace adecuado para ser empleado como materiales cerámicos estructurales y/o como barreras térmicas. V. REFERENCIAS [1] [2] [3] Fig. 4 Micrografía del sistema (a1) obtenida mediante MEB a 500X; con su EDS. TABLA V Resumen de resultados para densidad. [4] Densidad (g/cm3) Volumen de poros abiertos (cm3) Porosidad aparente (%) [5] 2.45 0.54 0.13 [6] Las pruebas de resistencia mecánica normalmente requeridas son la resistencia a la compresión y a la flexión. Durante el procedimiento de ensayo, se aplicó una carga progresivamente y creciente hasta que se produjo la fractura total del material, registrándose el porcentaje de deformación del material en función de la carga aplicada, los valores obtenidos fueron de 12.7 MPa para el Módulo en Young y 24.344 GPa para la Resistencia a la Flexión. El valor mínimo cae en el rango de resistencia mecánica correspondiente a los materiales aluminosiliciosos obtenidos a partir de Caolín, el cual es de alrededor de 25 MPa. No obstante, a pesar de presentar porosidad abierta y cerrada, el material desarrollado ISBN: 978-607-00-8778-3 [7] [8] T. Sanchez, “Modificación de estructura y propiedades de materiales óxidos vítreos y cristalinos por tratamiento de mezclas de diferentes nitratos fundidos”, Tesis de Maestría en Ingeniería Cerámica, CINVESTAV Saltillo, 2003. A. P. Zubekhin, A. Ya. Kozyarskii, I. A. Kozyarskii and S. N. Sytnikov. “Effect of metallurgical slags on the cohesive strength of undercmels and steel” en “Traslated from Steklo I Keramika, No.9, pp 30-31 September, 1995. M. Mirkazemi, V. K. Marghussian and A.Beitollahi. “Crystallisation behavior, microstructure and magnetic properities of BaO-Fe2O3-B2OSiO2 glass ceramics” Ceramics International, Vol. 32 (2006) pp. 4351.K. Elissa, “Title of paper if known,” unpublished. E. Sánchez Valdez “Compósitos cerámicos en base a polititanatos de potasio y escorias metalúrgicas” Maestría en Ingeniería Cerámica 2007. Norma ASTME C20-00 Standard Test Methods for Apparent Porosity, Water Absorption, Apparent Specific Gravity, and Bulk Density of Burned Refractory Brick and Shapes by Boil-ing Water EU 2005 . Hui Zhang. Zhong Zhang. Klaus Friedric. “Effect of fiber length on the wear resistance of short carbón fiber reinforced epoxy composite.” Composites science and Technology. 67 (2007) pp 222-230 Mel. M. Schwartz. “Metal Matrix Composite Processing in Composite Material, Processing, Fabrication and Applications”, Bernard M. Goodwin, Prentice Hall PTR, Vol. II, New Jersey, pp. 132-142. 1997. R. Magallanes Rivera “Escoria como agregado en compósitos yeso cerámico-escoria: efecto de la relación arena: ligante” Maestria en Ingeniería Cerámica 2004. Página 108 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales DESARROLLO DE UNA INTERFAZ DE MONITOREO A DISTANCIA DE CELDAS FOTOVOLTAICAS SENSIBILIZADAS CON COLORANTE Luis M. Mejía Gallegos Universidad Politécnica de Victoria Carr. Victoria-Soto la Marina Km. 5.5 Av. Nuevas Tecnologías 5902 Cd. Victoria, Tam. México [email protected] Enrique Martínez Peña, Enrique Rocha Rangel Universidad Politécnica de Victoria Carr. Victoria-Soto la Marina Km. 5.5 Av. Nuevas Tecnologías 5902 Cd. Victoria, Tam. México [email protected] I INTRODUCCION RESUMEN El mundo se enfrenta al reto de encontrar fuentes de energía limpias y renovables sin efectos secundarios como la contaminación, cambio climático y calentamiento global. La energía solar ofrece una excelente solución a este problema ya que proporciona una fuente inagotable y generosa de energía, tiene cero emisiones de carbono, es silencioso y casi libre de mantenimiento. La primera y segunda generación de celdas solares han sido estudiadas y desarrolladas ampliamente durante las décadas pasadas, pero el costo-beneficio es todavía muy alto en comparación con las fuentes de energía convencionales. Debido que las Celdas Solares Sensibilizadas con Colorante forman parte de la tercera generación de celdas Solares, aun en pleno desarrollo, es de vital importancia desarrollar equipos de medición creados exclusivamente para la caracterización de variables que afectan directamente a dichas celdas fotovoltaicas. El uso de tecnología y sistemas de ingeniería electrónica y telecomunicaciones que trabajaran de manera conjunta en la medición y monitoreo de celdas solares manufacturadas con diferentes colorantes naturales son de ayuda para lograr la estabilidad y confiabilidad en los datos que las variables involucradas arrojen. Al mismo tiempo, con los resultados obtenidos, se pretende aportar información relevante a la investigación de las Celdas Solares Sensibilizadas con colorante (DSSC, por sus siglas en ingles). Para esto, la elaboración de un sistema compuesto, fabricado específicamente para esta tarea será de gran utilidad en el desarrollo de los objetivos. OBJETIVO GENERAL ABSTRACT The world faces the challenge of finding clean and renewable energy sources without side effects such as pollution, climate change and global warming. Solar power offers an excellent solution to this problem because it provides a generous and inexhaustible energy source, has zero carbon emissions, is silent and almost maintenance free. The first and second generation solar cells have been widely studied and developed during the past decades, but the cost-benefit ratio is still very high compared to conventional energy sources. Due the dye-sensitized solar cell, are parts of the third generation of solar cells, even in full development, it is vital, to develop measuring devices, created exclusively for the characterization of variables that affect directly such photovoltaic cells. Keywords: dye-sensitize, solar, cell, characterization, measurement. ISBN: 978-607-00-8778-3 Monitorear a distancia, celdas fotovoltaicas sensibilizadas con colorante mediante un sistema de adquisición de datos conformado por una plataforma electrónica inalámbrica, el software NI-LabVIEW y un enlace cliente/servidor, a fin de obtener, caracterizar e interpretar las variables necesarias para la evaluación de su eficiencia. OBJETIVOS ESPECIFICOS  Desarrollo de una interfaz gráfica para el monitoreo a distancia de la celda.  Construcción e implementación de la plataforma electrónica inalámbrica de comunicación, útil para la recopilación de datos como voltaje, corriente, temperatura, índice UV, intensidad luminosa.  Interconectar las diferentes plataformas para una eficaz comunicación. Página 109 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales  Reproducir, interpretar, analizar y mediciones recaudadas durante el día. verificar las Caracterización de las celdas fotovoltaicas En la evaluación del comportamiento de estos complejos en una celda electroquímica, hay que determinar su eficiencia de conversión, a través del de la eficiencia global de la celda (η global) [1], que es calculado en base a la ecuación: 𝜂𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 = 𝑖𝑝 𝑕 ×𝑉𝑜𝑐 ×𝑓𝑓 𝐼𝑠 (1) Donde: Iph - Densidad de fotocorriente. Voc - Fotovoltaje de circuito abierto. ff - Factor de llenado de la celda. Is - Intensidad de la luz incidente. Todas las variables indicadas, se miden experimentalmente, según se indica: la intensidad de corriente con un microamperímetro, la intensidad de la luz incidente, por actinometría química o preferentemente con un dispositivo para medir flujo de fotones (radiómetro o diodo de Si), el factor de llenado (que indica la superficie de semiconductor nanoporoso efectivamente recubierta por la tintura) por desorción de la tintura y después por cuantificación posterior de ella por espectroscopia UV-Visible, y el fotovoltaje (ΔE) con un voltímetro. Este último parámetro, Voc, representa la diferencia entre el nivel de Fermi del semiconductor (Ef) y el potencial redox del electrolito (Eredox). Otra manera de representar la eficiencia de conversión total de energía (η) es la razón de la potencia obtenida de la celda y la potencia lumínica incidente Pin que se establece en 1 Sol. El término “1 Sol‖ equivale a 100 mW/cm2, según: 𝜂= 𝑉𝑜𝑐 ×𝐼𝑠𝑐 ×𝐹𝐹 𝑃 𝑖𝑛 (2) La eficiencia de una celda solar se calcula empleando la expresión (2), recogiendo los distintos valores de la corriente de salida de la celda que se obtienen cuando esta se somete a un voltaje variable. A partir de esta curva I-V pueden extraerse hardware o sistema administrador de base de datos; no solo funciona para aplicaciones accediendo bases de datos, sino que existen otras áreas de la computación, como por ejemplo el correo electrónico, monitoreo de hardware adherido al servidor - entre otras – que pueden ser susceptibles a la implementación de la tecnología [4,5]. Dentro de las características deseables de un cliente / servidor podemos remarcar: 1. Transparencia de localización.- El servidor es un proceso ISBN: 978-607-00-8778-3 magnitudes relevantes como son el valor del voltaje en circuito abierto (Voc cuando I = 0 mA) y el valor de la corriente en corto circuito (Isc cuando V = 0 V), variables cuyo producto proporciona el valor de potencia máxima ideal de la celda (Pideal = Voc × Isc) si fuera un diodo ideal (sin resistencias internas). También a través de esta curva se puede conocer la potencia máxima de la celda (Pmax), punto de la curva en el que hace máximo el producto de I-V. El factor de llenado (FF, del inglés filling factor) se obtiene a partir del cociente entre Pmax y Pideal. Otra magnitud relevante para la caracterización de las celdas solares es la tasa de electrones generados por número de fotones incidentes por longitud de onda o IPCE. Esta magnitud está directamente relacionada con la densidad de fotocorriente que se obtiene de una celda, cuando la celda se ilumina con un flujo de radiación F (λ) cuya distribución espectral es semejante a la del sol en la superficie terrestre (AM 1.5). El término AM significa Masa del Aire (del inglés, Air Mass) y se refleja en la expresión 𝐽𝑠𝑐 = 𝑞 × 𝐼𝑃𝐶𝐸 𝜆 × 𝐹 𝜆 𝑑𝜆 (3) En la ecuación anterior se define la densidad de fotocorriente en corto circuito como la integral de todo el espectro del producto de la carga del electrón, q, la tasa de electrones producidos respecto al número de fotones incidentes, IPCE(λ) y por último, el flujo solar incidente, F(λ) [2,3]. Arquitectura Cliente / Servidor El concepto cliente/servidor es eminentemente técnico. Su principio básico es muy sencillo: se tienen aplicaciones en un computador que están "conversando" con aplicaciones en otro computador. A partir de ese momento se establece un diálogo cooperativo entre los dos computadores. Y en su forma básica deben existir por lo menos dos componentes, el proceso servidor el mismo que puede ser ejecutado en las diversas plataformas existentes en el mercado, y el/los procesos clientes; estos procesos clientes se comunican en la Network usando uno o varios protocolos de LAN o WAN. La idea no hace referencia a un tipo específico de que puede residir en la misma máquina del cliente o en una maquina diferente que pertenezca a la red, el software Cliente / Servidor usualmente oculta la localización del servidor a los clientes pero direccionando las llamadas a los servicios si es necesario. Un programa puede ser cliente, servidor o ambos. 2. Transparencia de Plataforma.- El software ideal Cliente/Servidor es independiente del Hardware o de la plataforma donde se ejecuta (Sistema Operativo). El software tiene que ser capaz de trabajar entre plataformas heterogéneas. Página 110 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales 3. Escalabilidad.- Los sistemas cliente servidor pueden ser escalados Horizontalmente o Verticalmente. EL escalamiento horizontal principalmente se trata de agregar o quitar estaciones cliente, provocando un impacto de desempeño menor. El escalamiento vertical se trata de migrar a maquinas servidoras más rápidas y robustas. LabView LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un lenguaje de programación gráfico para el diseño de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y control. Permite diseñar interfaces de usuario mediante una consola interactivo basado en software. Es a la vez compatible con herramientas de desarrollo similares y puede trabajar con programas de otra área de aplicación, como por ejemplo Matlab. Tiene la ventaja de que permite una fácil integración con hardware, específicamente con tarjetas de medición, adquisición y procesamiento de datos (incluyendo adquisición de imágenes). Labview tiene su mayor aplicación en sistemas de medición, como monitoreo de procesos y aplicaciones de control, un ejemplo de esto pueden ser sistemas de monitoreo en transportación, Laboratorios para clases en universidades, procesos de control industrial. Labview es muy utilizado en procesamiento digital de señales (wavelets, FFT, Total Distorsion Harmonic TDH), procesamiento en tiempo real de aplicaciones biomédicas, manipulación de imágenes y audio, automatización, diseño de filtros digitales, generación de señales, entre otras, etc. [6] Descripción del estándar IEEE 802.15.4 La alianza ZigBee es una asociación de compañías que trabajan conjuntamente para definir un estándar global libre para realizar redes inalámbricas de bajo consumo de energía. El resultado buscado dentro de la Alianza ZigBee es la creación de especificaciones definidas para crear diferentes topologías de red con características de seguridad de datos y perfiles de interoperabilidad en aplicaciones. Su concepción comenzó en el año de 1998 gracias a la investigación en conjunto de varias empresas entre ellas Motorola, Ember, Honeywell y Mitsubishi [7]. ZigBee es un protocolo de comunicaciones inalámbricas basado en el estándar 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal (wireles personal área network, WPAN), que define el hardware y software de las capas física (Phy) y de acceso al medio (MAC) (Figura 1). ISBN: 978-607-00-8778-3 Figura 1 Tecnologías inalámbricas en la banda de 2.4 GHz El objetivo que la IEEE tuvo cuando especifico el estándar IEEE 802.15.4 fue proveer un estándar de una complejidad muy baja, costo bajo, consumo de energía muy bajo y baja tasa de transferencia de datos en conexiones wireles. La velocidad de datos neto será lo suficientemente alta (máximo de 250 Kb/s) para aplicaciones como sensores, alarmas y juguetes. II METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION El desarrollo de la investigación propuesta tomará varias etapas, las cuales se describen a continuación: 1.- Diseño diseño del electrónica dispositivo solares. de la plataforma electrónica: Se comenzará con el modelo a seguir en la construcción de la placa para posteriormente construir físicamente el que será de utilidad para la medición de las celdas 2.- Diseño de la interface grafica: Se trabajará con las interfaces graficas, donde se incluyen, el desarrollo de esquemas gráficos en LabView, el cual ayudará a capturar y desplegar las mediciones obtenidas. Así también, el desarrollo de la interface que tendrá la tarea de proyectar las mediciones a distancia. 3.- Calibración, pruebas y modificaciones de interconexión: Se realizaran pruebas de calibración entre los sistemas para comprobar su correcta comunicación, buen funcionamiento y la veracidad de los datos arrojados. 4.- Experimentación y toma de mediciones en campo: Con los sistemas funcionando adecuadamente, se ejecutaran los ejercicios programados para la captura y almacenamiento de información, la cual será analizada y detallada en un punto Página 111 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales posterior. 5.-Análisis de resultados experimentales: Un análisis exhaustivo de todos los datos recopilados, será el principal objetivo en este punto, ya que la tarea de dar a conocer los resultados de una manera clara y concisa, es una actividad que merece la mayor dedicación posible. III RESULTADOS ESPERADOS Qué través de una interfaz gráfica sea posible el monitoreo a distancia de la respuesta de una celda fotovoltaica sensibilizada con colorante a factores externos, y así poder colectar, reproducir, analizar e interpretar las mediciones recaudadas durante una jornada ininterrumpida de trabajo. REFERENCIAS [1]. - Michael Grätzel, Journal of photochemistry and photobiology, 2003 [2].- Chiba, Y.,Islam, A.,Watanabe,Y.,Komiya,R.(2006). Dye- ISBN: 978-607-00-8778-3 Sensitized Solar Cells with Conversion Eﬃciency of 11.1%. Japanese Journal of Applied Physics, 45 (25). Recuperado desde: http://sciencesupply.com.au/research/haze_11percent.pdf [3]. - Kalil Ebrahim Jasim, Dye Sensitized Solar Cell – Working Principles Challenges and opportunities, University of Bahrain. 2011 [4]. - Robert Orfali, Dan Harkey, Jeri Edwards, The Essential Client/Server Survival Guide (Second Edition, Wiley Computer Publishing, 1996). [5]. - Jeri Edwards, Devorah DeVoe, 3-Tier Client/Server At Work, Wiley Computer Publishing, 1997, pp 19-24, 41-45 [6].-RONCANCIO H., VELASCO. H. Una Introducción a Labview. Semana de Ingenio y Diseño. Universidad Distrital "Francisco José de Caldas". 2000. [7].- Vidril, I., ZigBee y sus aplicaciones. Universidad Pontificia Comillas. 2011. Página 112 Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Índice de Autores Aguilar Pereyra, José Felipe, 77 Alegrı́a Cerda, José de Jesús Lorenzo, 77 Altamirano Yépez, Luis Antonio, 31, 85 Arango Contreras, Heber Eduardo, 27 Ayala Melchor, Zinthia Alejandra, 73, 105 Barrena Rodrı́guez, Manuel de Jesús, 73, 105 Bedolla Ruiz Nayeli Berenice, 3 Beltrán Medina, Paulina Karely, 69, 89 Calles Arriaga, Carlos Adrı́an, 15 Canseco Cortinas, José Margarito, 15 Carbó Vela, Pablo César, 95, 97 Chaparro Sánchez, Ricardo, 53 Cortina Reyes, Antonio, 23 Dı́az de León Zapata, Ramón, 19 Diez Rodrı́guez, Héctor, 73, 105 Escalante Quijano, Renan, 95 Esparza Vázquez, Sergio, 101 Flora Velasco, Ubaldo Javier, 53, 57, 65, 81 Gómez Virgilio, Juan Pedro, 57, 65 Gallegos Hurtado, Antonio, 65 Garcı́a Garcı́a, Luis Rodolfo, 39 Garcı́a, Elizabeth Refugio, 101 Garcı́a, Julio, 97 Gualito Olvera, Miguel Ángel, 89 Meléndez Romero, Manuel, 53, 81 Miranda Colorado, Roger, 61 Molina Jiménez Miriam Liliana, 3 Montaño Rivas, Omar, 15 Morán Ruı́z, Alfredo, 89 Morales Bocanegra, Guadalupe de Jesús, 23 Mota Barragán Martha Elba, 3 Nuño Maganda Marco Aurelio, 7, 39 Ortı́z Moctezuma, Manuel Benjamı́n, 61 Ortega Cisneros, Susana, 11 Ortega Monjarás, Sabino, 85 Ortiz González, Gustavo, 89 Pérez Lujan, Juan Carlos, 69, 89 Pérez Pinal, Francisco Javier, 49 Peña González Raúl Humberto, 7 Quintana Rodrı́guez, Andrea, 65 Rı́os Isasi, Hugo, 61 Rangel Miranda, Domingo, 53, 81 Raygoza Panduro, Juan José, 11 Raygoza Panduro, Ruth Edith, 11 Rendón Sustaita, Gloria del Carmen, 19 Reyes Orozco, José Miguel Albertos, 57 Rocha Rangel, Enrique, 97, 101, 109 Rodrı́guez Galicia, José Luis, 105 Rodrı́guez Garcı́a, Jose, 101 Hernández González, Salvador, 69, 77 Hernández López, David Abraham, 57 Hernández Mier, Yahir, 39 Hernández Ordoñez, Martı́n, 15, 61 Hernández Rosales, Fernando, 53, 81 Hernández Zúñiga, Raúl, 57, 65 Sánchez Esquivel, Vı́ctor Manuel, 31 Sánchez Hernández, Rubén Darı́o, 43 Salinas Chávez, Emmanuel, 69 Salvá Calleja, Antonio, 31, 85 Jiménez Rivera, José Luis, 89 Ureña Ponce, Oswaldo, 11 López Domı́nguez Antonio, 3 Lugo Pérez, José Gonzalo, 69, 89 Vázquez Salazar, Ismael, 35 Vega Islas, Federico, 57 Vital Corpus Miguel Ángel, 3 Machucho Cadena, Rubén, 27, 35, 43 Maganda Carvajal, Jaime Alberto, 69, 89 Martı́nez Aguilar Gloria Mónica, 3 Martı́nez Camacho, Omar, 65 Martı́nez Peña, Enrique, 35, 109 Martı́nez Suarez, Jonathan Luis, 65 Mejı́a Gallegos, Luis Miguel, 109 ISBN: 978-607-00-8778-3 Tapia Armas, Jesús Ricardo, 69 Página 113 Página intencionalmente dejada en blanco. Avances en Tecnologı́as de la Información, Mecatrónica y Tecnologı́a de los Materiales Índice de Instituciones Centro de Fı́sica Aplicada y Tecnologı́a Avanzada, 81 Centro de Investigación y Desarollo Industrial, 53, 81 Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnologı́a Digital, 61 CINVESTAV Guadalajara, 11 CINVESTAV Unidad Mérida, 95 CINVESTAV-Unidad Saltillo, 105 CONACyT, 61 CUCEI, Universidad de Guadalajara, 11 Instituto Tecnológico de San Luis Potosı́, 19 McMaster University, 49 SVAM International de México, 23 Universidad Autónoma de Querétaro, 53 Universidad Autónoma Metropolitana, 101 Universidad Nacional Autónoma de México, 31, 53, 85 Universidad Politécnica de la Región Ribereña, 73, 105 Universidad Politécnica de Pachuca, 49 Universidad Politécnica de San Luis Potosı́, 15 Universidad Politécnica de Victoria, 7, 15, 27, 35, 39, 43, 61, 95, 97, 101, 109 Universidad Tecnológica de Querétaro, 53, 57, 65, 69, 77, 81, 89 Universidad Tecnológica de Torreón, 3 ISBN: 978-607-00-8778-3 Página 115

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