Una plataforma docente a bordo de un vehículo autónomo

Una plataforma docente a bordo de un vehículo autónomo
"La utilización de LabVIEW como lenguaje de
programación ha permitido crear el software
necesario para que la plataforma realice tareas de
navegación autónoma, evitación de obstáculos o
teleoperación "
- Pedro Javier Navarro Lorente, Universidad Politécnica de Cartagena (DSIE)
El Reto:
Lea el Caso
Desarrollar un prototipado rápido e implementación de un vehículo autónomo robotizado para su aplicación en tareas de enseñanza en cursos
superiores de grado, master e investigación. El vehículo servirá de plataforma para la enseñanza en asignaturas relacionadas con la programación, de Estudio
Completo
robótica, visión artificial, control y automatización.
La Solución:
La utilización de un entorno de programación gráfica multidisciplinar como LabVIEW junto con sistemas computacionales en tiempo real (cRIO) han
permitido la rápida integración de numerosos sistemas hardware de E/S, comunicaciones (CAN, Ethernet, RS232), acceso a drivers para control de
motores (EPOS), cámaras de visión artificial, etc. Este amplio abanico de posibilidades flexibiliza la utilización del vehículo autónomo robotizado
como una plataforma donde impartir los conocimientos prácticos de diferentes asignaturas universitarias.
Autor(es):
Pedro Javier Navarro Lorente - Universidad Politécnica de Cartagena (DSIE)
Carlos Fernández Andrés - Universidad Politécnica de Cartagena (DSIE)
Introducción
En la última década ha crecido el número de iniciativas y proyectos relacionados con la enseñanza de la robótica por parte de diferentes Universidades.
Muchas de estas universidades han desarrollado pequeños robots autónomos (especialmente diseñados para ambientes indoor) con una baja inversión
que resultan idóneos para la enseñanza de asignaturas relacionadas con la electrónica y la robótica
En este artículo se presenta un vehículo autónomo especialmente diseñando para ambientes outdoor basado en una plataforma mecánica de bajo coste
(buggy-golf) y un sistema hardware/software de National Instruments que es capaz de realizar tareas complejas de: (1) control de navegación, (2)
evitación de obstáculos, (3) planificación de trayectorias sobre mapas (Google Maps), (4) detección de señales de tráfico y (5) teleoperación. Además de
su aplicación directa en las asignaturas anteriormente mencionas, la plataforma amplía el número de asignaturas donde puede ser utilizada a: robótica
móvil, programación avanzada y algoritmia, visión artificial, control, simulación, automatización, y comunicaciones industriales.
Plataforma docente. VEGO
La utilización de una plataforma mecánica de bajo coste formada por un buggy de golf (VEGO) aporta al proyecto numerosas ventajas: (1)
mecánicamente el buggy de golf es un vehículo extremadamente robusto, (2) posee una mecánica sencilla, (3) al ser eléctrico su mantenimiento se ve
reducido al mantenimiento de las baterías, y (4) posee un sistema eléctrico/electrónico fácil de manipular. Para convertir VEGO en un vehículo autónomo
ha sido necesario realizar tareas de robotización, así como tareas de selección de equipos (sensores, controladores, etc.).
- Tareas de robotización
Con objeto de controlar el desplazamiento del vehículo por una unidad de control se instalaron tres motores en los elementos de gobierno del vehículo:
dirección acelerador y freno, como se muestra en la Fig. 1(a), (b), y (c) respectivamente. La comunicación de cada uno de los motores con la unidad de
control se lleva acabo mediante una red CAN cableada en el vehículo.
(a) Motor y embrague mágnetico para el control de la dirección
(b) Motor lineal para el control del acelerador.
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(b) Motor lineal para el control del acelerador.
(c) Motor para el control de la cremallera del freno.
Fig. 1 Robotización de la plataforma mecánica de bajo coste
- Tareas de selección de equipo
La utilización de VEGO como plataforma en diferentes disciplinas docentes conlleva dotar al mismo de sistemas hardware/software flexibles que puedan
adaptarse a diferentes casos de estudio con un esfuerzo razonable. La flexibilidad, la facilidad de programación, y el rendimiento de los sistemas
embebidos de la gama CompactRIO (cRIO) fueron los principales motivos por los que se optó por ellos para constituir la unidad de control de VEGO,
concretamente se seleccionó el cRIO-9022 con un chasis de 8 slots. A nivel software, la utilización del lenguaje gráfico LabVIEW implica una menor
curva de aprendizaje para el alumno en comparación con otros lenguajes de alto nivel. Esto junto con los diferentes niveles de abstracción del lenguaje lo
hacen idóneo para la enseñanza práctica en asignaturas como, informática aplicada, introducción a la Informática, lenguajes de programación y
arquitectura de computadoras. LabVIEW además permite la interacción con otros lenguajes de programación y plataformas como C/C++, MATLAB,
VHDL, .NET, etc. A nivel de rendimiento, los dos procesadores (PowerPC + FPGA) integrados en el cRIO junto son el sistema operativo VxWorks
suministran la potencia de procesado necesaria para el ámbito de uso de la plataforma.
La máxima en la elección de los sensores y actuadores fue su compatibilidad hardware/software con los interfaces disponibles por National Instruments
en su gama compactRIO. Esta máxima evita a los alumnos que realizan proyectos fin de grado o master tareas de adquirir o desarrollar placas
electrónicas para adaptar señales de sensores y actuadores.
La tabla 1 muestra un resumen de las características de los sensores (S) y actuadores (A) integrados en la plataforma VEGO. En la tabla se ha indicado
el tipo de sensor, el número de ellos disponibles, la interfaz de conexión con el cRIO, el modelo de tarjeta I/O utilizada, y por último el modelo y fabricante
del sensor o actuador.
N
Interfaz
Módulo
Modelo
S
Laser (LIDAR)
Tipo
1
Ethernet
Chasis-cRIO
LMS100
Fabric.
Sick
S
Ultrasónico
4
4-20mA
NI 9207
S320117
SRF06
S
Unidad Inercial (IMU)
1
RS232
Chasis-cRIO
NAV440
Crossbow
S
Cámara analógica
1
CCIR
AF-150c
XC-56
Sony
S
Final de carrera
6
0-24V
NI 9024
-
Siemens
S
Encoder
1
0-5V
NI 9401
IR32-500-24
HENGSTLER
A
Marcha adelante
1
Relé
NI 9485
-
-
A
Marcha atrás
1
Relé
NI 9485
-
-
A
Marcha neutra
1
Relé
NI 9485
-
-
A
Embrague magnético
1
Relé
NI 9485
-
Kendrion
A
Driver motor
2
CAN
NI 9853
EPOS2
Maxon
A
Driver motor lineal
1
CAN
NI 9853
MDC3002
Faulhaber
Tabla 1. Sensores y actuadores disponibles en la plataforma VEGO.
En la Fig. 2(a) se muestra una imagen de la plataforma docente VEGO. En la Fig. 2(b) se muestra el cuatro eléctrico que alberga: la unidad de control del
vehículo, los sistemas de comunicaciones inalámbricos para teleoperación, y las fuentes DC/DC para dotar al vehículo de un rango de tensiones
(+5V,+12,+24) suficientemente amplio para alimentar cualquier sensor y actuador.
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Figura. vehiculo autónomo Vego utilizado como plataforma docente;Detalle del cuadro electrico donde se ubica la unidad de control
Capa software
El software de control del vehículo ha sido desarrollado íntegramente con LabVIEW. Éste está compuesto principalmente por tres capas de software: (L1)
una capa de sistema operativo basada en máquinas de estados implementadas mediante la herramienta de National Instruments Statechart que verifica
la integralidad de las actuaciones sobre el hardware y el sistema mecánico del resto de capas, (L2) una capa funcional, formada por bloques compuestos
principalmente por VIs desarrollados a medida de la aplicación y procedentes de las librerías de LabVIEW (p.e. NI LabVIEW Robotics module), y (L3) una
capa de interfaz de usuario (ver Fig. 3)
La Fig. 4(a) muestra una de las máquinas de estado que forman parte de la capa de sistema operativo (L1), y la Fig. 4(b) muestra el aspecto de la
interfaz gráfica de la plataforma VEGO (L3).
Maquina de estado para el control de trayectorias implementada con un Statechart;Interfaz de usuario
Conclusiones
La selección de un CompactRIO como sistema de control embebido ha permitido integrar en una plataforma mecánica de bajo coste (buggy-golf)
sensores y actuadores de diferentes fabricantes, diferentes interfaces I/O, y diferentes sistemas de comunicaciones. La utilización de LabVIEW como
lenguaje de programación ha permitido crear el software necesario para que la plataforma realice tareas de navegación autónoma, evitación de
obstáculos o teleoperación.
El sistema desarrollado ha demostrado su flexibilidad, robustez y rendimiento, y está siendo utilizada como plataforma docente en las asignaturas de
grado, master y en tareas de investigación en la Universidad Politécnica de Cartagena.
Agradecimientos
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Este trabajo forma parte de los proyectos SiLASVer (TRACE PET 2008 a 0131), EXPLORE (ref. TIN2009-08572) y VISEL-TR (ref. TIN2012-39279),
financiados por el Plan Nacional de I + D + i española. El último de ellos ha sido parcialmente financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovacion y el
Ministerio de Economía y Competitividad (España), en virtud de los Proyectos de Investigación MTM2009-07315 y MTM2012-31544.
Información del Autor:
Pedro Javier Navarro Lorente
Universidad Politécnica de Cartagena (DSIE)
Motor y embrague magnetico para el control de la dirección
Motor Lineal para el control de acelerador
Motor para el control de la cremallera de freno
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Vehiculo autonomo vego utilizado como plataforma docente;Detalle del cuadro electrico donde se ubica la unidad de control
Maquina de estado para el control de trayectorias implementada con un Statechart;Interfaz de usuario de la plataforma
Legal
Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO
"COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.
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