pfc_juanignacioforcencarvalho.pdf

ESCUELA TCNICA SUPERIOR Madrid, noviembre de 2009 DE INGENIEROS INDUSTRIALES Jos Gutirrez Abascal, 2 28006 Madrid

UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID

DEPARTAMENTO DE AUTOMTICA INGENIERA ELECTRNICA E INFORMTICA INDUSTRIAL

Divisin de Ingeniera de Sistemas y Automtica (DISAM)

SISTEMA DE CONTROL REMOTO DE ROBOTS MVILES BASADO EN PDA

CDIGO DE PROYECTO: IAEI0807517 AUTOR: JUAN IGNACIO FORCN CARVALHO TUTOR: ALBERTO VALERO GMEZ PONENTE: FERNANDO MATA ESPADA

CTEDRA

DE

PROYECTOS

PROYECTO FIN DE CARRERA

ETS de

Ing. Industriales

UPM

TTULO DEL PROYECTO: Sistema de control remoto de robots mviles basado en PDA

ENTIDAD PROPONENTE: Departamento de Automtica N PROYECTO:

TUTOR ASIGNADO: Fernando Mata Espada FECHA de COMIENZO: Octubre 2008

NOMBRE del ALUMNO: Juan Ignacio Forcn Carvalho N de MATRICULA: 07517

ESPECIALIDAD E INTENSIFICACIN: Ingeniero en Automtica y Electrnica Industrial

DECRIPCIN DEL PROYECTO Y SUS OBJETIVOS PRINCIPALES

El proyecto consiste en disear, desarrollar y evaluar una aplicacin para PDA, que

permita a un operario controlar remotamente un robot mvil.

El principal objetivo de la aplicacin es permitir que un operador pueda controlar un

robot mvil sin verse obligado a permanecer en un lugar fijo. La portabilidad del PDA

permite al operador moverse en el mismo escenario de operacin del robot.

OBSERVACIONES:

ENTIDAD PROPONENTE: EL TUTOR: Nombre: Fernando Mata Espada Nombre: Fernando Mata Espada

POR LA CTEDRA DE PROYECTOS EL ALUMNO:

Nombre Nombre: Juan Ignacio Forcn Carvalho

Juan Ignacio Forcn Carvalho iv

NDICE

Juan Ignacio Forcn Carvalho v

NDICE

1 Introduccin ....................................................................................................... 13

1.1 Prembulo ................................................................................................... 13

1.2 Proyectos previos ........................................................................................ 14

1.3 Marco del proyecto ..................................................................................... 20

1.4 Motivacin y objetivos ................................................................................ 20

1.5 Alcance del proyecto ................................................................................... 20

1.6 Organizacin del documento ...................................................................... 21

2 Estado actual ...................................................................................................... 24

2.1 Proyectos actuales ...................................................................................... 24

2.2 Proyectos similares ..................................................................................... 26

2.3 Entorno de trabajo ...................................................................................... 28

2.4 OpenRDK ..................................................................................................... 31

2.5 Autonoma Modos de operacin ............................................................. 37

2.6 Necesidades ................................................................................................ 39

3 Hardware ............................................................................................................ 45

3.1 Robots ......................................................................................................... 45

3.2 Robots simulados ........................................................................................ 48

3.3 Arquitectura del sistema ............................................................................. 50

3.4 Requisitos y seleccin de PDA ..................................................................... 51

4 Diseo software .................................................................................................. 55

4.1 Por qu C#? ............................................................................................... 55

4.2 Por qu SOAP? ........................................................................................... 56

4.3 Diagramas UML ........................................................................................... 58

Juan Ignacio Forcn Carvalho vi

4.3.1 Diagrama de clases .............................................................................. 58

4.3.2 Diagrama de estado ............................................................................. 60

4.3.3 Casos de uso ........................................................................................ 61

4.3.4 Diagramas de secuencia ...................................................................... 65

5 Descripcin de la aplicacin ............................................................................... 79

5.1 Soluciones adoptadas ................................................................................. 79

5.2 Men principal ............................................................................................ 82

5.3 Configuracin .............................................................................................. 82

5.4 Laser&Sonar ................................................................................................ 85

5.5 Mapa ........................................................................................................... 90

6 Conclusiones y lneas futuras ............................................................................. 98

6.1 Conclusiones ............................................................................................... 98

6.2 Lneas futuras .............................................................................................. 99

Anexos ...................................................................................................................... 105

I - Planificacin ..................................................................................................... 105

II - Estructura de descomposicin del proyecto (EDP) ......................................... 107

III - Presupuesto ................................................................................................... 111

IV - Tablas de casos de uso ................................................................................... 113

V - Referencias...................................................................................................... 122

VI - Abreviaturas y acrnimos .............................................................................. 125

Juan Ignacio Forcn Carvalho vii

NDICE DE FIGURAS

Figura 1: Robot Urbano. ............................................................................................. 15

Figura 2: Robot URBANO haciendo de gua dentro del museo de las ciencias de

Valencia. ..................................................................................................................... 16

Figura 3: Silla de ruedas monitorizada automtica. .................................................. 17

Figura 4: Trozo de pieza de fibra de carbono, de tipo semi-plano, lista para la

inspeccin. ................................................................................................................. 18

Figura 5: Robot Blacky en la feria Madrid por la Ciencia en los pabellones de IFEMA

................................................................................................................................... 19

Figura 6: Mapa 3D ...................................................................................................... 25

Figura 7: Interfaz de teleoperacin de Fong. ............................................................. 26

Figura 8: Aplicacin de Perzanowski. ......................................................................... 26

Figura 9: Aplicacin de Huttrenrauch and Norman. .................................................. 27

Figura 10: En la primera imagen, los robots avanzan en formacin, en la segunda

siguen al lder, y en la tercera y cuarta, le siguen formando un crculo o un

cuadrado. ................................................................................................................... 27

Figura 11: Interfaz de Calinon and Billard.................................................................. 27

Figura 12: Interfaz desarrollada en la universidad de Vanderbilt por Julie A.Adams.

................................................................................................................................... 28

Figura 13: PDA virtual generado por Visual Studio 2005. ......................................... 29

Figura 14: Simulador Player/Stage. ........................................................................... 30

Figura 15: Simulador USARSim. ................................................................................. 30

Figura 16: Ejemplo de un agente RDK ....................................................................... 32

Figura 17: Arquitectura del sistema........................................................................... 33

Figura 18: Capa de Exploracin.................................................................................. 35

Figura 19: Capa de planificacin de rutas. ................................................................. 35

Figura 20: Capa de navegacin .................................................................................. 36

Figura 21: Niveles de autonoma ............................................................................... 38

Figura 22: Interfaz con lecturas lser (rojo) y lecturas snar (verde) ........................ 40

Juan Ignacio Forcn Carvalho viii

Figura 23: Team View. ............................................................................................... 41

Figura 24: 3D View. .................................................................................................... 41

Figura 25: Integracin sistema PDA ........................................................................... 42

Figura 26: Robot Urbano............................................................................................ 45

Figura 27: Robot Doris. .............................................................................................. 46

Figura 28: Robot Nemo. ............................................................................................. 47

Figura 29: Robot P3AT Simulado. .............................................................................. 48

Figura 30: Robot ATRVJr3D Simulado. ....................................................................... 48

Figura 31: Arquitectura del sistema........................................................................... 50

Figura 32: PDA HP iPaq 214 ....................................................................................... 52

Figura 33: Diagrama de clases de la aplicacin. ........................................................ 59

Figura 34: Diagrama de estados. ............................................................................... 60

Figura 35: Diagrama de casos de uso de la aplicacin............................................... 61

Figura 36: Casos de uso, Settings. .............................................................................. 62

Figura 37: Casos de uso, Laser&Sonar Navigate. ....................................................... 62

Figura 38: Casos de uso, Map Navigate. .................................................................... 63

Figura 39: Casos de uso, Shared Control ................................................................... 63

Figura 40: Casos de uso, Safe/Unsafe Teleoperation. ............................................... 64

Figura 41: Diagrama de secuencia. Connect. ............................................................. 65

Figura 42: Diagrama de secuencia. Disconnect. ........................................................ 66

Figura 43: Diagrama de secuencia. Settings. ............................................................. 66

Figura 44: Diagrama de secuencia. Exit. .................................................................... 67

Figura 45: Diagrama de secuencia. Laser&Sonar. ..................................................... 67

Figura 46: Diagrama de secuencia. Map. ................................................................... 68

Figura 47: Diagrama de secuencia. ZoomIn Laser ..................................................... 68

Figura 48: Diagrama de secuencia. ZoomOut Laser .................................................. 69

Figura 49: Diagrama de secuencia. Validate Autonomy Mode. ................................ 69

Figura 50: Diagrama de secuencia. Save Map. .......................................................... 70

Figura 51: Diagrama de secuencia. Zoom Map. ........................................................ 70

Figura 52: Diagrama de secuencia. ZoomOut Map. .................................................. 71

Figura 53: Diagrama de secuencia. Refresh Map. ..................................................... 71

Juan Ignacio Forcn Carvalho ix

Figura 54: Diagrama de secuencia. SetWayPoint. ..................................................... 72

Figura 55: Diagrama de secuencia. SetPath. ............................................................. 72

Figura 56: Diagrama de secuencia. Forward, modo incremental. ............................. 73

Figura 57: Diagrama de secuencia. Forward, modo joystick. .................................... 73

Figura 58: Diagrama de secuencia. Backward, modo incremental. .......................... 73

Figura 59: Diagrama de secuencia. Backward, modo joystick. .................................. 74

Figura 60: Diagrama de secuencia. Right, modo incremental. .................................. 74

Figura 61: Diagrama de secuencia. Right, modo joystick. ......................................... 74

Figura 62: Diagrama de secuencia. Left, modo incremental. .................................... 75

Figura 63: Diagrama de secuencia. Left, modo joystick. ........................................... 75

Figura 64: Diagrama de secuencia. Stop, modo incremental. ................................... 75

Figura 65: Diagrama de secuencia. OK Settings. ....................................................... 76

Figura 66: Diagrama de secuencia. Default Settings ................................................. 76

Figura 67: Diagrama de secuencia. Cancel Settings. ................................................. 77

Figura 68: Men principal .......................................................................................... 82

Figura 69: Men de configuracin (Network). .......................................................... 83

Figura 70: Men de configuracin, pestaas Control y Lser. .................................. 84

Figura 71: Men de configuracin, pestaas Robot y Colors. ................................... 85

Figura 72: A la izquierda, vista lser y snar de la aplicacin. A la derecha, entorno

de simulacin del robot. ............................................................................................ 86

Figura 73: Detalle de lser en rojo ante peligro de colisin. ..................................... 87

Figura 74: Vista Laser&Sonar de la aplicacin con diferentes niveles de Zoom. ...... 88

Figura 75: A la izquierda, opciones de teleoperacin. A la derecha, detalle del

indicador de velocidad y giro. .................................................................................... 88

Figura 76: Flecha resaltada al haber sido pulsada. .................................................... 89

Figura 77: PDA desconectada. ................................................................................... 90

Figura 78: Mapa Creado en el entorno Player/Stage. ............................................... 91

Figura 79: Mapa creado en el entorno Usarsim. ....................................................... 91

Figura 80: Mapa con Zoom. ....................................................................................... 92

Figura 81: Diferente modos de operacin. ................................................................ 93

Juan Ignacio Forcn Carvalho x

Figura 82: A la izquierda el usuario est indicando los puntos de destino, a la

derecha el usuario ha indicado una trayectoria a seguir. ......................................... 94

Figura 83: Contorno de la flecha. ............................................................................... 94

Figura 84: Guardar mapa. .......................................................................................... 95

Figura 85: Aplicacin ejecutndose en la PDA real. .................................................. 96

Figura 86: Aplicacin ejecutndose en un mvil PDA HTC. .................................... 96

Figura 87: Diseo preliminar, seleccin de Pan y Tilt, e indicacin de la direccin del

robot por si la cmara apunta hacia otro lado. ....................................................... 100

Figura 88: Diseo preliminar de la vista vdeo con el lser superpuesto y regla de

distancias. ................................................................................................................ 101

Figura 89: Estructura de descomposicin del proyecto .......................................... 107

Figura 90: Investigacin inicial. ................................................................................ 108

Figura 91: Requisitos. ............................................................................................... 108

Figura 92: Formacin previa. ................................................................................... 109

Figura 93: Seleccin Hardware. ............................................................................... 109

Figura 94: Desarrollo Software. ............................................................................... 110

Figura 95: Pruebas. .................................................................................................. 110

Juan Ignacio Forcn Carvalho xi

NDICE DE TABLAS

Tabla 1: Caractersticas tcnicas de los Robots [6]. ................................................... 47

Tabla 2: Datos proporcionados por los robots ......................................................... 49

Tabla 3: Prestaciones PDA ......................................................................................... 53

Tabla 4: Aplicacin de los diferentes modos de operacin ....................................... 81

Tabla 5: Diagrama de gantt ...................................................................................... 106

Tabla 6: Mediciones y precio unitario. .................................................................... 111

Tabla 7: Presupuesto total. ...................................................................................... 112

Tabla 8: Caso de uso Settings. ................................................................................. 113

Tabla 9: Caso de uso Connect. ................................................................................. 114

Tabla 10: Caso de uso Disconnect. .......................................................................... 114

Tabla 11: Caso de uso Map Navigate. ...................................................................... 115

Tabla 12: Caso de uso Laser&Sonar Navigate. ........................................................ 115

Tabla 13: Caso de uso Unsafe/Safe Teleoperation. ................................................. 116

Tabla 14: Caso de uso Shared Control. .................................................................... 116

Tabla 15: Caso de uso Full Autonomy. ..................................................................... 117

Tabla 16: Caso de uso SetWay Point ....................................................................... 118

Tabla 17: Caso de uso Set Path. ............................................................................... 118

Tabla 18: Caso de uso Forward. ............................................................................... 119

Tabla 19: Caso de uso Backward.............................................................................. 119

Tabla 20: Caso de uso Right. .................................................................................... 120

Tabla 21: Caso de uso Left. ...................................................................................... 121

Tabla 22: Caso de uso Stop. ..................................................................................... 121

CAPTULO 1. INTRODUCCIN

Juan Ignacio Forcn Carvalho 12

INTRODUCCIN



1 Introduccin

1.1 Prembulo

En estos das en los que la industria tecnolgica avanza a pasos agigantados,

podemos ver como evoluciona la investigacin acerca de robots mviles para gran

diversidad de aplicaciones. Estos robots, en la mayora de las ocasiones necesitan

ser teleoperados o supervisados remotamente en algn momento.

Adems, algunas veces, el operador necesita moverse en el mismo escenario que el

robot y teleoperar sin permanecer en un lugar fijo. En este tipo de situaciones no se

puede disponer de grandes infraestructuras o de una aplicacin con diversas

pantallas y que a la vez ofrezca gran cantidad de informacin; necesitando un

dispositivo portable con una aplicacin diseada para estas circunstancias.

Las PDAs (Personal Digital Assistans) se han convertido en dispositivos muy

extendidos en la actualidad en diferentes aplicaciones. Cumplen con los requisitos

necesarios de portabilidad, capacidad de procesamiento, y precio asequible; lo que

las hacen que sean perfectas en este tipo de aplicaciones.

Para que el usuario pueda teleoperar el robot debe haber una interaccin usuario

robot, esta interaccin deber ser gestionada por una interfaz. A su vez esta interfaz

estar limitada por las bajas prestaciones de una PDA en comparacin con un PC,

pero deber proporcionar informacin suficiente para lograr conseguir con xito la

tarea a realizar.

Por otra parte, a la hora de desarrollar una interfaz pensada para ser utilizada en

movimiento se debern buscar soluciones que faciliten sus labores al operador. La

correcta unin de estas ideas expuestas, permitir al operador controlar y operar un

robot mvil de manera efectiva en el mismo entorno que l se mueve, con las

ventajas que ello conlleva como obtener informacin adicional del escenario.



1.2 Proyectos previos

En los ltimos aos en el grupo de control inteligente [1] del departamento de

Automtica se han desarrollado los siguientes proyectos.

WebFAIR

Acceso Web a Ferias Comerciales mediante Agentes Mviles

Objetivo: Desarrollo y validacin de un sistema de tele-presencia basado en robots

mviles, capaz de facilitar acceso de individuos a grandes exhibiciones y ferias

comerciales a travs de internet.

Descripcin:

WebFAIR aborda las necesidades de mercado y promocin de grandes exhibiciones

comerciales, proporcionando acceso a la informacin, los servicios y los eventos

expuestos en la exhibicin; para que puedan acceder y explorar la feria y obtener

informacin visual. El usuario es capaz de observar a travs de los ojos del robot

(cmaras) y or a travs de sus odos (micrfonos). A travs de una interface Web,

usuarios de distintas partes del mundo pueden tele-controlar el robot y visitar

stands o puntos de inters a los que desean acceder.

Urbano

Integracin de Robots Autnomos en la Sociedad, mediante el Uso de Nuevas

Tecnologas.

Objetivo: Desarrollo de un sistema de tele-presencia para el acceso personalizado a

lugares pblicos, y una interaccin fluida con la informacin y con otros ciudadanos

all presentes. Fomentar la integracin en la sociedad de tcnicas relacionadas con

la automtica, mediante el uso de nuevas tecnologas de la informacin.



Figura 1: Robot Urbano.

Descripcin:

El objetivo del proyecto es el desarrollo de un sistema de tele - presencia que

permita el acceso personalizado de ciudadanos a lugares pblicos, as como una

interaccin fluida con la informacin y con otros ciudadanos all presentes. Con ello

se persigue fomentar la integracin en la sociedad de tcnicas relacionadas con la

automtica (control inteligente, navegacin de robots autnomos, ingeniera de

software), mediante el uso de nuevas tecnologas de la informacin (protocolos de

Internet, interfaces web y habla) que faciliten una comunicacin amigable con el

ciudadano. El sistema se compone de un cuerpo artificial (robot mvil) con cierto

nivel de inteligencia (autonoma), con el cual es posible interaccionar a travs de

Internet y de manera presencial, pudiendo ser operado mediante lenguaje hablado.

Los usuarios a los que va dirigido el proyecto son: ciudadanos con condicionantes

especiales necesitados de integracin social, personas de negocios que por motivos

de economa o tiempo se decantan por hacer una visita virtual, y empresas pblicas

y privadas, o ciudades espaolas en su conjunto, que desean difundir su bagaje

cultural, educativo o cientfico. En lo que se refiere a la interaccin hablada, este

proyecto desarrolla nuevas lneas tecnolgicas no previstas anteriormente para la

mejora de la interaccin hombre-robot en el sistema de visita presencial o remota

con ayuda automtica.



ROBINT

Integracin de Comportamientos Inteligentes en Robots Gua

Objetivo: El objetivo del presente proyecto es el modelado, desarrollo de una

metodologa de diseo y la implementacin de comportamientos inteligentes en

robots gua.

Figura 2: Robot URBANO haciendo de gua dentro del museo de las ciencias de Valencia.

Descripcin:

Los robots interactivos son mquinas que deben ser programadas para navegar,

dialogar, razonar, aprender y sobrevivir en entornos casi humanos. Para ello deben

ser conscientes de sus estados mentales, y su conocimiento sobre el entorno debe

ser adecuadamente combinado con la informacin que reciben de sus sistemas de

percepcin. Este tipo de robots son capaces de operar en entornos humanos,

llevando a cabo tareas sociales tiles como robots instructores (en museos y

colegios), robots de entretenimiento (en parques de atracciones), o robots de

compaa (en el hogar o en hospitales).

Ya existen prototipos de robots interactivos. Los grupos de investigacin solicitantes

de este proyecto, desarrollaron dentro del proyecto URBANO (CICYT 2002-2004) un

robot gua para ferias y museos. Se trata, por tanto, de un campo de aplicacin

innovador, donde los avances cientficos y tecnolgicos que se alcancen pueden

aportar ventajas competitivas a las empresas interesadas en hacer uso de los

resultados del proyecto.



MobiNet

Mobile Robotics Technology for Health Care Services Research Network

Objetivo: Red de bsqueda para establecer cooperacin cientfico-tecnolgica de

manera que se pueda disear un robot mvil completamente autnomo para

cuidado mdico.

Figura 3: Silla de ruedas monitorizada automtica.

Descripcin:

Se instaur una red para realizar el diseo de un prototipo de un robot mvil

inteligente autnomo con altas capacidades de maniobrabilidad y manipulabilidad.

Se analizaron mtodos para la percepcin, representacin del entorno y sensores.

Los siguientes fueron planificacin de tareas, evitar obstculos, visin basada en

navegacin

La red MobiNet Network cre un extenso rango de aplicaciones para los cuidados

mdicos. Adems los usuarios de la red estuvieron unidos a la industria interesada y

en contacto cercano con el grupo de usuarios, para aprovechar su conocimiento en

el desarrollo de la actividad.



CRAWLER

Robot Autnomo para Inspeccin de Piezas de Fibra de Carbono mediante Tcnicas

Pulso-Eco

Objetivo: La construccin de un robot autnomo para inspeccin autnoma,

mediante tcnicas pulso-eco, de piezas de fibra de carbono semiplanas de las

aeronaves.

Figura 4: Trozo de pieza de fibra de carbono, de tipo semi-plano, lista para la inspeccin.

Descripcin:

Tradicionalmente, la inspeccin ultrasnica de piezas semiplanas se lleva a cabo,

bien mediante un brazo robot, o bien de manera manual, aunque se trata de una

inspeccin punto a punto. Algunas de estas piezas llegan a tener 17 x 3.5 m. Se trata

siempre de piezas de fibra de carbono con acabado semiplano, y en algunos casos,

con la posibilidad de existencia de man-holes y mouse-holes. El objetivo de este

proyecto fue disear un robot mvil autnomo que, llevando acoplado el rodillo

anterior, sea capaz de recorrer por completo la pieza a inspeccionar. Su

caracterstica principal fue que el robot se desplazase hasta la pieza, en lugar de la

pieza hasta el robot, lo que haca innecesario disponer de una infraestructura fija de

grandes dimensiones en la nave. Como efecto colateral, se disminuye tambin el



coste de inspeccin. Como ejemplo de referencia de pieza a inspeccionar se tom el

revestimiento del estabilizador horizontal del A380.

Blacky

An Interactive Robot for Trade Fairs

Objetivo: Diseo de un prototipo de robot mvil para que se desplace en medios concurridos y parcialmente estructurados.

Figura 5: Robot Blacky en la feria Madrid por la Ciencia en los pabellones de IFEMA

Descripcin:

El objetivo era que fuese capaz de moverse en medios complejos, como ferias, e

interactuar con la gente de su alrededor. El primer aspecto innovador fue la

navegacin del robot. Desde el punto de vista del control reactivo, los obstculos no

son slo estticos, sino que su movimiento es completamente impredecible. Desde

el punto de vista de la navegacin, el robot est normalmente rodeado de gente, y

esto no le permita ver a travs de sus sensores las guas que permiten su

localizacin. Desde el punto de vista de la interaccin con la gente, el sistema tena

un sistema de reconocimiento de voz simple, que le permite enviar rdenes al

robot; as como sistemas de sntesis de voz para describir la feria a los visitantes

mientras los guaba. Adems, un sistema experto se encargaba de manejar las

emociones del robot, no slo en la voz sino en el lenguaje empleado.



1.3 Marco del proyecto

Este proyecto ha sido desarrollado como proyecto final de carrera del segundo ciclo

de Ingeniera en Automtica y Electrnica Industrial, en el grupo de control

inteligente del departamento de Automtica, Ingeniera Electrnica e Informtica

industrial de la Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Industriales de la

Universidad Politcnica de Madrid.

1.4 Motivacin y objetivos

El proyecto consiste en disear, desarrollar y evaluar una aplicacin para PDA, que

permita a un operario controlar remotamente un robot mvil.

El principal objetivo de la aplicacin es permitir que un operador pueda controlar un

robot mvil sin verse obligado a permanecer en un lugar fijo. La portabilidad del

PDA permite al operador moverse en el mismo escenario de operacin del robot.

1.5 Alcance del proyecto

Investigacin inicial: Previamente incluso a la planificacin de este proyecto, se ha

realizado un estudio sobre el estado actual de desarrollo de aplicaciones en PDA.

Formacin: Aunque antes de comenzar el proyecto ya se contaba con formacin en

programacin orientada a objetos y C, nunca se haba trabajado en C#. Asimismo ha

sido imprescindible tener unos conocimientos bsicos sobre RDK.

Seleccin Hardware: En esta fase se procedi a la seleccin y compra de una PDA

que cumpliese con los requisitos necesarios, para ejecutar la aplicacin.

Desarrollo Software: Incluye un breve diseo previo en UML y su posterior

correccin y ampliacin, as como el desarrollo software de la aplicacin en C#.

Pruebas: Pruebas de funcionamiento en modo simulacin (Con entorno y Robots

simulados) y en modo real, para la posterior correccin, depuracin y posibles

mejoras a partir de dichas pruebas.



Redaccin de la memoria del proyecto. Una vez conseguidos los hitos anteriores y

tras haber realizado las pruebas, se analizan los resultados y se obtienen

conclusiones a partir de los mismos.

1.6 Organizacin del documento

El presente documento queda dividido en siete apartados que describen la

aplicacin.

El primer captulo, denominado Introduccin incluye un breve prembulo como

iniciacin al proyecto, adems de la descripcin de algunos proyectos realizados

previamente en el grupo de control inteligente del departamento de automtica.

Adems, tambin se har una breve descripcin acerca del marco del proyecto, las

principales motivaciones que han llevado a su realizacin, as como el alcance del

mismo.

En el segundo captulo denominado Estado Actual se incluye la descripcin de

algunos proyectos realizados actualmente por el grupo de control inteligente. Y se

trata de dar nociones bsicas sobre elementos o conceptos necesarios para este

proyecto, como son: los robots operativos actualmente, la arquitectura del sistema,

el entorno de trabajo, OpenRDK y los diferentes niveles de autonoma, una vez

conocido todos los elementos se estudiarn las Necesidades.

El tercer captulo denominado Hardware se centra en la explicacin de los

requisitos del hardware de la PDA, as como en la seleccin y compra de la misma.

En el cuarto captulo denominado Diseo software, se intenta justificar el uso de

los lenguajes de programacin y posteriormente se describe la aplicacin a travs

de diagramas UML.

Quinto captulo: Descripcin de la aplicacin, en este apartado queda descrito a

fondo todas las funcionalidades y modos de la aplicacin a modo de manual.

Sexto captulo: Conclusiones y Lneas futuras en este captulo se obtienen

conclusiones, y se explican posibles lneas futuras de la aplicacin.



Anexos, se incluyen los siguientes documentos: Planificacin a travs del diagrama

de Gannt, estructura de descomposicin del proyecto EDP, presupuesto, referencias

y biografa.

CAPTULO 2. ESTADO ACTUAL


ESTADO ACTUAL



2 Estado actual

2.1 Proyectos actuales

Actualmente en el grupo de control inteligente de Disam se estn desarrollando los

siguientes proyectos.

Realizacin de Mapas 3D

De la Puente est trabajando en mapeado 3D y localizacin simultnea. A da de

hoy ha desarrollado una aplicacin basada en aproximacin de mapeado 3D para

obtener modelos compactos de semi-estructuras, tales como edificios parcialmente

destrozados, donde se llevan robots mviles para realizar actividades de rescate.

Para conseguir los datos en 3D, se usa un escner lser, empleando un sistema de

adquisicin de datos nodal montado en robots reales y simulados [23][24]. El mapa

3D se construye con nubes de puntos 3D. Esas nubes de puntos se extraen del

rango del escner lser. Cada escaneado tiene un ngulo diferente de inclinacin,

cubriendo un rea tridimensional diferente. Un ejemplo del tipo de mapa 3D

construido de esta manera se muestra en la figura 6.

Adems se ha desarrollado un algoritmo de deteccin de suelo para detectar reas

seguras de navegacin para los robots mviles [25]. Las reas navegables se

muestran en una cuadrcula bidimensional que puede ser enviado a la interfaz del

operador o procesado por el path planning y mdulos de movimiento.



Figura 6: Mapa 3D

Aplicacin Desktop Interface

Alberto Valero Gmez, ha desarrollado una interfaz para PC destinada a la

teleoperacin de robots por un operador. Esta aplicacin ser posteriormente

estudiada con mayor detalle, debido a que la aplicacin para PDA desarrollada en

este proyecto debe cumplir con funcionalidades similares.

Robonauta

Como la base de Urbano ha dejado de fabricarse al igual que sus piezas, ha surgido

la necesidad de comprar un nuevo robot en el que continuar con la lnea de

investigacin del mismo. Este nuevo robot llamado Doris, tendr funcionalidades

similares; navegacin, capacidad de interactuar con personas, sistema de

reconocimiento de voz y sintetizador de voz, etc.

Actualmente est en fase de construccin, de momento se ha fabricado la cara, y

entre otras cosas se est trabajando en el sistema de visin para que sea capaz de

detectar gestos de personas, formas con el fin de mejorar la experiencia en la

interaccin con las personas.



2.2 Proyectos similares

Antes de comenzar con el proyecto, se busco informacin sobre proyectos similares

que sirviese como punto de partida. Muchas interfaces de PDA basadas en la

interaccin robot-humano han sido desarrolladas para diferentes tipos de

aplicaciones.

Por ejemplo Fong [2][17] cre una aplicacin que permita interactuar con el robot,

con la particularidad de que el robot no colaboraba con la tarea, era simplemente

teleoperado.

Figura 7: Interfaz de teleoperacin de Fong.

Perzanowski [18] ha implementado una interfaz para PDA, capaz de identificar

gestos o texto del usuario para interactuar con el robot. Adems esta aplicacin

permite manejar ms de un robot simultneamente.

Figura 8: Aplicacin de Perzanowski.

Huttrenrauch and Norman [19] implementaron una interfaz llamada PocketCERO

que ofreca diferentes vistas para un robot de servicio usado en entornos de


Juan Ignacio Forcn Carvalho

edificios u oficinas. Ellos

interfaz mvil.

Figura

Skubic, Bailey and Chronis [

smbolos y marcas daban ordenes de te

Figura 10: En la primera imagen, los robots avanzan en formacin, en la segunda siguen altercera y cuarta, le siguen formando un crculo o un cuadrado.

Calinon and Billard [22], desarrollar

gestos en una persona para que los repitiese un robot humanoide.



edificios u oficinas. Ellos defendan la idea de que un robot mvil, deba tener una

Figura 9: Aplicacin de Huttrenrauch and Norman.

Chronis [20,21], disearon una aplicacin en la que en base a

y marcas daban ordenes de teleoperacin al robot. (Figura 10

En la primera imagen, los robots avanzan en formacin, en la segunda siguen altercera y cuarta, le siguen formando un crculo o un cuadrado.

Calinon and Billard [22], desarrollaron una aplicacin en la que la PDA

gestos en una persona para que los repitiese un robot humanoide.

Figura 11: Interfaz de Calinon and Billard.

27

que un robot mvil, deba tener una

, disearon una aplicacin en la que en base a

leoperacin al robot. (Figura 10).

En la primera imagen, los robots avanzan en formacin, en la segunda siguen al lder, y en la

on una aplicacin en la que la PDA detectaba los



Por ltimo, tenemos una aplicacin desarrollada por Julie A.Adams, para robots de

interior [3] que consta de tres vistas diferentes como podemos ver en la figura 12.

Figura 12: Interfaz desarrollada en la universidad de Vanderbilt por Julie A.Adams.

La primera vista, contiene informacin de los sensores lser y snar del

robot.

La segunda vista muestra el vdeo del robot.

En la tercera vista, las medidas lser son superpuestas a la imagen de vdeo.

Una vez realizada esta aplicacin, los autores realizaron un estudio con un grupo de

voluntarios [4], para posteriormente analizar los resultados obtenidos y sacar

conclusiones [5].

2.3 Entorno de trabajo

Gran parte de los dispositivos portables, tales como las PDAs, llevan instalado

Windows Mobile en cualquiera de sus versiones (2003, 5, 6). Por esto a la hora de

elegir el entorno de programacin era necesario que el programa generado pudiese

funcionar en dicho sistema operativo. En este caso, el lenguaje elegido ha sido C# (C

Sharp), disponible en la herramienta Visual Studio 2005 de Microsoft.

Con respecto a la PDA, aunque con la PDA real se han realizado pruebas desde el

principio del diseo de la aplicacin, ha sido fundamental el uso de la PDA virtual

(Figura 19), disponible en Visual Studio al instalar Windows Mobile SDK.



Figura 13: PDA virtual generado por Visual Studio 2005.

El disponer de una PDA virtual ha permitido depurar la aplicacin en tiempo de

ejecucin, as como evitar tener que transferir continuamente el programa a la PDA

real para hacer pequeas pruebas. Por el contrario; el principal inconveniente de la

PDA virtual es su lentitud, lo que ha hecho que fuese imprescindible realizar

comprobaciones con la PDA real a lo largo de todo el proceso de desarrollo.

En cuanto al entorno de trabajo de los robots, aunque el entorno y los robots reales

siempre son la mejor forma de probar la aplicacin, debido a que las simulaciones

se asemejan pero nunca son perfectas; para realizar pruebas y poder depurar la

aplicacin de forma sencilla, prctica y sin riesgo de daar el robot, se ha utilizado

un entorno simulado as como robots simulados.

Se ha trabajado con dos entornos simulados, Player/Stage simulator [8](Figura 14),

utilizado en todo el proceso de diseo y depuracin, y USARSim (Unified System for

Automation and Robot Simulation) (Figura 15), utilizado para realizar las pruebas

finales de la aplicacin.



USARSim es una herramienta capaz de simular los robots y el entorno con gran

precisin. Est basada en e

utilizada en la RoboCup Rescue Virtual Robot Competition [

extendida en el mundo de la investigacin con robots de exploracin

Como hemos dicho anteriormente, trabajar con modelos simulados tendr el

inconveniente de que tanto el entorno

realidad, pero por el contrario



Figura 14: Simulador Player/Stage.

es una herramienta capaz de simular los robots y el entorno con gran

basada en el motor del juego para ordenador Unreal Tournament, es

utilizada en la RoboCup Rescue Virtual Robot Competition [9][10

extendida en el mundo de la investigacin con robots de exploracin

Figura 15: Simulador USARSim.


ue tanto el entorno como el robot, nunca ser

el contrario tendremos otras ventajas como:

30

es una herramienta capaz de simular los robots y el entorno con gran

Unreal Tournament, es

10] y est muy

extendida en el mundo de la investigacin con robots de exploracin[11][12][13].


como el robot, nunca sern igual a la



Poder utilizar robots con los requisitos deseados, sin necesidad de disponer

de ellos fsicamente.

No pondremos en peligro la integridad del Robot ni de los elementos del

entorno.

Podremos modificar o utilizar diferentes entornos al gusto, segn nuestras

necesidades.

2.4 OpenRDK

En este apartado vamos a proceder a dar una visin general de OpenRDK (Open

Robot Development Kit), el sistema software utilizado por los robots. Este software,

es libre y ha sido desarrollado conjuntamente por la universidad de La Sapienza de

Roma y por el grupo de control inteligente de la ETSII de la UPM, ambos grupos de

investigacin comparten inters por la robtica mvil, aunque sus lneas de

investigacin son sustancialmente diferentes. Este software lo podemos encontrar

en Source Forge[14].

OpenRDK ha sido desarrollado siguiendo el asesoramiento de los usuarios y es un

software modular centrado en el desarrollo rpido de sistemas robticos

distribuidos. OpenRDK viene siendo utilizado desde hace varios aos y ha sido

aplicado con xito en diversas aplicaciones con robots heterogneos, tales como:

Plataformas mviles sobre ruedas: Pioneer 2-A, i-Robot PatrolBot, Pioneer 2-

DX.

Vehculos de orugas: Tarantula, el kenaf.

Vehculos areos no tripulados: AscTec Quad-rotor.

Robots Legged: Sony Aibo, Aldebaran Nao.

Simulacin de robots en Player/Stage, USARSim, Webbots.

Algunas de las caractersticas de OpenRDK son:

Un agente es una lista de mdulos que son instanciados, junto con los

valores de sus parmetros e interconexin. Este agente queda definido en

un archivo de configuracin.

Los mdulos se comunican entre s mediante un repositorio,

(Figura 16), en la que los mdulos almacenan algunas de sus variables



internas (parmetros, entradas y salidas) llamadas propiedades. Un

mdulo define sus propiedades durante la inicializacin. Despus podr

acceder a las suyas y a las de otros mdulos del mismo o diferentes agentes

a travs de un esquema de URL global. El acceso a las propiedades de un

mdulo remoto es transparente, lo que permite reducir el uso de memoria

compartida.

Cada mdulo normalmente implementa una tarea o comportamiento, como

localizacin, mapeado, planificacin de trayectorias y as sucesivamente. Todos

estos mdulos son implementados en el ncleo de OpenRDK. El conjunto de todos

los mdulos necesarios constituye el agente.

Todos los agentes por lo general tienen:

Un mdulo de comunicacin con el robot: simulados o reales.

Un conjunto de mdulos para procesar los datos del sensor.

Un conjunto de mdulos que utiliza los datos procesados al mando del robot.

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de un agente que se comunica con un

robot. El proceso es el siguiente: Primero el agente recupera los datos del lser lo

siguiente que hace el mdulo scan-matcher es localizar el robot, despus el mdulo

de mapeado construye el mapa, y a continuacin el mdulo de exploracin mueve

el robot de acuerdo con el mapa y la posicin del robot.

Figura 16: Ejemplo de un agente RDK



Sistema de navegacin

En esta seccin vamos a presentar la arquitectura de nuestro sistema de

navegacin. Esta arquitectura ha sido implementada por OpenRDK, y sigue una

estructura de capas. En donde cada capa recibe una entrada de la capa anterior, la

procesa y genera una salida para la siguiente capa. Podemos ver esta estructura en

la Figura 17.

Figura 17: Arquitectura del sistema.

Como hemos dicho anteriormente, cada capa o mdulo tiene un cierto nmero de

entradas, las cuales son procesadas para generar una salida. El mdulo de mapeado



tendr como entradas las medidas lser y la posicin del robot, y entregar como

salida el mapa correspondiente. El modulo de exploracin recibir el mapa y la

posicin del robot y dar como salida un punto de destino. Mientras que el modulo

de planificacin de trayectorias, tomar como entradas el punto de destino deseado

y el mapa para determinar una trayectoria segura para llegar al objetivo.

En esta estructura, la capa de HRI (Human Robot Interaction) est a cargo de la

interaccin entre el operador y el robot:

Recibe las entradas de la interfaz, y las manda a la capa correspondiente.

Recibe las salidas de cada capa: target point, path, speed, errors, y las

mandas a la interfaz.

Maneja los niveles de autonoma.

Capa de Exploracin

La tarea de exploracin depende del objetivo de la misin. Uno podra construir un

mapa de un entorno desconocido, en cuyo caso slo necesitara maximizar el rea

cubierta por los robots mientras se mantiene la coherencia del mapa. O uno podra

querer implementar un equipo de robots con el fin de crear un grupo regido por

una estructura de comunicaciones, o para buscar vctimas en una zona de desastre.

Dependiendo del objetivo, los algoritmos de exploracin variarn en consecuencia

[15].

Actualmente, nuestro grupo se ha centrado en las misiones de robots de rescate. Se

tratan de misiones de Exploracin y bsqueda". En este tipo de misiones el

objetivo es explorar en el entorno a la vez que se buscan caractersticas

interesantes en su interior. Este problema ha sido modelado como una exploracin

multi-objetivo.

Nuestro sistema de exploracin esta modelado como una mquina de estados que

podemos ver en la siguiente figura.



Figura 18: Capa de Exploracin.

Capas de planificacin de trayectorias y navegacin

Las capas de planificacin de trayectorias y Navegacin han sido desarrolladas en

cooperacin con el laboratorio robtico de la universidad de La Sapienza en Roma.

Estas capas son las responsables del movimiento del robot hasta un punto de

destino. En los siguientes diagramas de estado podemos ver cmo actan.

Figura 19: Capa de planificacin de rutas.



Figura 20: Capa de navegacin

Capa de navegacin segura y capas Interfaz

La capa de movimiento seguro, es la encargada de evitar las colisiones. Esta capa

recibe como entrada la velocidad lineal y angular, las cuales son modificadas en

funcin de los objetos detectados por los sensores del robot, entregando como

salida las nuevas velocidades lineal y angular. La capa de interfaz del robot tiene

como fin gestionar las comunicaciones con los robots.

Localizacin y Mapeado

Todas estas capas trabajan en base a un mapa donde el robot est localizado. Esto

implica que el sistema tiene que localizar el robot y construir el mapa a partir de los

datos obtenidos por los sensores. Actualmente, la navegacin est basada en un

mapa de celdas. En el cual se incluye informacin 2D, obstculos, agujeros y

deteccin del suelo e informacin semntica.



En nuestro grupo de investigacin han sido desarrolladas diversas tcnicas de

localizacin. Todas ellas han utilizado los datos proporcionados por el escner de

lser y la funcin de odometra.

ltimamente se viene trabajando en una solucin muy novedosa, la localizacin

simultnea y la creacin de Mapa (SLAM).

Esta nueva tcnica utiliza un conjunto de splines para describir la geometra

detectada por el lser. Con esto se consigue que los mapas obtenidos sean ms

compactos que los tradicionales.

En cooperacin con el Laboratorio de Robtica de la universidad de La Sapienza de

Roma ha sido desarrollado un algoritmo de localizacin y mapeado basado en el

scan matching.

El software se distribuye bajo el nombre de "GMapping" y es uno de los algoritmos

ms populares utilizados para lseres basados en SLAM.

2.5 Autonoma Modos de operacin

Uno de los objetivos de este proyecto es teleoperar o supervisar un robot, por eso

en este apartado vamos a conocer los posibles modos de operacin que nos brinda

RDK. Para ello lo primero es conocer el concepto de autonoma.

Autonoma

El nivel de autonoma del robot, puede variar segn las necesidades del operador.

Un robot, ser completamente autnomo cuando l tenga completo control sobre

s mismo, y no necesite rdenes del operador para realizar una tarea. Por el

contrario, el nivel de autonoma de un sistema ser nulo cuando el operador

maneje el robot sin ningn tipo de ayuda ni limitacin.

En la siguiente figura, podemos ver una representacin del nivel de autonoma. En

el lado izquierdo el operador tiene control total del robot Teleoperacin, mientras

que en el lado derecho el agente tiene el control total sobre el robot Autnomo.

En medio tenemos Teleoperacin asistida donde el usuario teleopera con las



ayudas del robot, y Autonoma asistida donde el usuario simplemente enva

comandos y el robot es el responsable de sus movimientos.

Figura 21: Niveles de autonoma

Modos de operacin

En RDK Disponemos de cuatro posibles modos de operacin, con diferentes grados

de autonoma:

Teleoperacin: El operador enva comandos de velocidad y desplazamiento

al Robot.

Teleoperacin segura: El operador enva comandos de velocidad y

desplazamiento al Robot al igual que en Teleoperacin, pero el sistema

evitar que el robot choque contra los obstculos; reduciendo la velocidad

del mismo o incluso detenindolo si fuese necesario al superar la distancia

de seguridad.

Control compartido; dentro de este modo hay dos variantes posibles:

o El operador establecer un punto o puntos de destino al robot, y el

sistema ser el encargado de calcular la trayectoria y controlar los

movimientos para que el robot llegue al destino.



o El operador impone al robot una trayectoria. El sistema controlar

sus movimientos para que el robot siga la trayectoria deseada

siempre que sea posible.

Autnomo: En este modo el robot se desplaza por el escenario con el

objetivo de maximizar el rea explorada.

2.6 Necesidades

Como decamos al comienzo del documento, el objetivo de este proyecto es tratar

de conseguir que un operador pueda controlar un robot mvil sin permanecer en

un lugar fijo. Actualmente, en el grupo de control inteligente existe una interfaz

pensada para porttil o PC de sobremesa, creada por Alberto Valero Gmez,

llamada Desktop Interface [16] (Figuras 22, 23 y 24).

Esta interfaz, permite al usuario, teleoperar y/o supervisar hasta cuatro robots a la

vez.

Adems, tiene tres posibles modos de funcionamiento, que el operador

seleccionar dependiendo de sus necesidades:

En el modo Comp. (Figura 22) disponemos de tres vistas diferentes llamadas,

Local view, Global view y 3D view.

o Local view: esta vista, est centrada en el robot que est

seleccionado en cada instante; en ella podemos ver las medidas lser

y snar, as como el mapa generado a su alrededor.

o Global view: se visualiza el mapa generado por todos los robots y la

posicin de cada uno de ellos.

o 3D view: nos da la posibilidad de ver a vista de pjaro con un pseudo

3D el mapa explorado, las medidas lser y snar, y el vdeo recibido

por el robot.

Modo Team view: (Figura 23) muestra en toda la zona de dibujo el mapa

generado por los robots, la ubicacin de cada uno de ellos y la trayectoria

seguida por cada robot, as como la zona explorada en diferentes colores.



Modo 3D view: (Figura 24) podemos ver en toda la zona de dibujo la vista 3D

view.

Los robots puede ser operados en los cuatro modos citados en el apartado anterior:

Teleoperation, Safe teleoperation, Shared control y Full Autonomy.

Adems con esta interfaz el operador dispone de mucha informacin adicionar que

le ayuda a completar su tarea. Por ejemplo:

El usuario puede ver fcilmente la velocidad lineal y angular de los robots,

as como el nivel de batera de cada uno de ellos.

Se puede ver la trayectoria seguida por cada robot.

Se pueden hacer distintos niveles de zoom en cada ventana.

En la ventana pseudo 3d puede modificarse la perspectiva con la que se ve al

robot.

Figura 22: Interfaz con lecturas lser (rojo) y lecturas snar (verde)



Figura 23: Team View.

Figura 24: 3D View.



El objetivo de este es poder crear una aplicacin que disponga de funcionalidades

similares a la comentada anteriormente para PC, pero teniendo en cuenta las

limitaciones de la PDA. (Figura 25)

Figura 25: Integracin sistema PDA

Aunque el tamao de la PDA y su reducida capacidad de clculo impongan fuertes

restricciones a la hora disear una interfaz de este tipo; la portabilidad de la misma

puede compensar estos inconvenientes, al permitir al operador desplazarse por el

mismo escenario que el robot, otorgndole la posibilidad de obtener una visin

parcial o total del entorno y adquirir informacin que los sensores no seran capaces

de transmitirle.

Este mejor conocimiento del entorno puede mejorar el control del robot, y de esta

manera compensar las limitaciones de la PDA y de su interfaz.

Para conseguir este objetivo nos surgen las siguientes necesidades.

Necesidades Hardware:

o El dispositivo en el que se ejecute la aplicacin debe ser portable, ligero y

el operador debe poder utilizarlo sin tener que detenerse.

o Todas las comunicaciones deben ser inalmbricas.



o La autonoma del dispositivo debe ser al menos igual a la de los robots.

(No sera prctico un dispositivo en el que la duracin de la batera fuese

inferior a la del robot a controlar).

Necesidades Software:

o La aplicacin para PDA debe tener funcionalidades parecidas a la de PC.

o La Interfaz diseada en la aplicacin debe aportar al operador suficiente

informacin para poder desarrollar su tarea. Y a su vez disponer de la

ergonoma suficiente para poder manejarla con comodidad, aunque el

operador se est desplazando por el escenario.

o Las limitaciones de procesador de un dispositivo portable como es una

PDA no pueden ir en detrimento de la calidad de la informacin. Es

preferible mostrar slo la informacin estrictamente necesaria, a tener

un sistema muy lento que hara imposible la teleoperacin.

CAPTULO 3. HARDWARE


HARDWARE

CAPTULO 3. HARDWARE


3 Hardware

En este apartado se describen, los robots utilizados, la arquitectura del sistema y el

proceso de seleccin de la PDA

3.1 Robots

En el grupo de control inteligente de DISAM, se encuentran operativos los

siguientes robots.

Urbano

Urbano est compuesto por la Plataforma B21r del fabricante iRobot. El

computador base es un PC Pentium con sistema operativo Linux; el computador

secundario es un PC Pentium con Windows.

En DISAM-UPM se han desarrollado una cabeza y dos brazos con los que el robot

puede hacer gestos e interaccionar con personas.

Figura 26: Robot Urbano.

CAPTULO 3. HARDWARE


Actualmente este modelo ha dejado de fabricarse, adems el grupo de control

inteligente ha adquirido un nuevo Robot ms reducido, con prestaciones similares

que tomar el testigo de urbano el da que deje de funcionar.

Doris

Este nuevo Robot, al que se le ha llamado Doris, est compuesto por una base

PatrolBot, de la compaa Mobile Robots. Se ha desarrollado un cuerpo de

metacrilato y una cabeza para que pueda interactuar con las personas. Dispone de

un PC con sistema operativo Linux.

Figura 27: Robot Doris.

Nemo

Por ltimo este robot es el modelo P3-AT de Pioneer. Actualmente con este robot

se est trabajando en la creacin de mapas 3D. Para su funcionamiento dispone de

un mini porttil con Linux que va situado sobre su plataforma.

CAPTULO 3. HARDWARE


Figura 28: Robot Nemo.

La aplicacin desarrollada para PDA, puede ser utilizada en cualquiera de los tres

robots. Sin embargo est ms dirigida a Doris y Urbano; ya que al ser robots - guas

pensados para trabajar en museos o visitas, la PDA es perfecta para que un

supervisor pueda teleoperarlo en un momento dado.

En la siguiente tabla podemos ver las caractersticas tcnicas de los robots:

CARACTERSTICAS URBANO DORIS NEMO

Length 52.5cm 59cm 50cm

Width 52.5cm 48cm 49cm

Altura

106cm 38cm 26cm

Peso

122.5kg 46kg 12kg

Autonoma 6 hrs 3.5hrs 4-8hrs

Bateras 4 bateras

plomo-cido

24v batera

plomo-cido

12v batera

plomo-cido

Velocidad mxima

de traslacin 90cm/s 1,7m/s 1,2m/s

Comunicaciones WiFi WiFi WiFi

Tabla 1: Caractersticas tcnicas de los Robots [6].

CAPTULO 3. HARDWARE


3.2 Robots simulados

Se han utilizado dos robots simulados, el P3AT y el

Nemo - P3AT (Simulado)

Al P3AT Simulado (Figura

frontales, 4 sensores snar laterales y 6 sensores snar traseros. Con

probar el snar tambin a la hora de realizar pruebas en modo simulado.

ATRVJr3D (Simulado)

Este robot (Figura 30) es utilizado en el grupo, porque su mayor tamao permite

instalarle un doble lser y as poder realizar mapas 3D en movimiento. Aunque esta

tarea para la aplicacin de la PDA no sea relevante, tambin se han hecho pruebas

con esta plataforma.

CAPTULO 3. HARDWARE


simulados

Se han utilizado dos robots simulados, el P3AT y el ATRVJr3D [7].

P3AT (Simulado)

Al P3AT Simulado (Figura 29), se le ha aadido con respecto al real, 6 sensores snar

frontales, 4 sensores snar laterales y 6 sensores snar traseros. Con


Figura 29: Robot P3AT Simulado.

ATRVJr3D (Simulado)

) es utilizado en el grupo, porque su mayor tamao permite



Figura 30: Robot ATRVJr3D Simulado.

48

), se le ha aadido con respecto al real, 6 sensores snar

frontales, 4 sensores snar laterales y 6 sensores snar traseros. Con el fin de poder


) es utilizado en el grupo, porque su mayor tamao permite



CAPTULO 3. HARDWARE


Para finalizar, en la siguiente tabla, podemos ver los tipos de sensores que llevan

instalados cada uno de los robots reales y simulados utilizados.

ROBOT DATOS PROPOCIONADOS

Urbano Odometra

B2R1(Real) Lser Frontal (180)

24 Sensores snar superiores

24 Sensores snar inferiores

Cmara

Doris Odometra

PatrolBot (Real) Lser Frontal (180)

Sensores snar frontales

Sensores snar laterales

Sensores snar traseros

Cmara pan/tilt

Nemo Odometra

P3AT (Real) Tilted Lser (180)

Cmara pan/tilt

Nemo Odometra

P3AT (Simulado) Tilted Lser (180)

6 Sensores snar frontales

4 Sensores snar laterales

6 Sensores snar traseros

Cmara pan/tilt

ATRVJr3D Odometra

(Simulado) Tilted Lser (180)

5 Sensores snar frontales

10 Sensores snar laterales

2 Sensores snar traseros

Cmara pan/tilt

Tabla 2: Datos proporcionados por los robots

CAPTULO 3. HARDWARE


3.3 Arquitectura del sistema

Tanto el robot Urbano, como Nemo y Doris, llevan a bordo un ordenador con

sistema operativo Linux, en el que se encuentran en ejecucin los mdulos

necesarios para su navegacin y comunicacin. Para poder teleoperar o supervisar

el robot desde la PDA, deberemos estar conectados al mdulo de comunicaciones

del robot a travs de la red WiFi. (Figura 31). Hay que destacar, que la aplicacin

para PDA est diseada para poder operar solamente un robot simultneamente;

debido al reducido tamao y las limitaciones de clculo de la misma para manejar

ms de uno a la vez.

Figura 31: Arquitectura del sistema.

CAPTULO 3. HARDWARE


3.4 Requisitos y seleccin de PDA

A la hora de seleccionar la PDA (Personal Digital Assistant) se baraj la opcin de

comprar diferentes modelos, pero todos ellos deban cumplir con los siguientes

requisitos, imprescindibles para esta aplicacin:

Wifi: Como se ha explicado anteriormente, los robots disponen de un

ordenador On board, en el que se encuentra en ejecucin el agente que

contiene los diferentes mdulos necesarios para su funcionamiento (Mdulo

de navegacin, modulo de planificacin de rutas). Para poder operar con

nuestra PDA dicho robot, deberemos conectarnos con el agente a travs de

una red Wifi.

Pantalla tctil: Es imprescindible para que el usuario pueda interactuar con

la aplicacin. Tambin ser importante el tamao de la pantalla, siempre

que no sea excesivo y vaya en detrimento de la portabilidad.

Procesador y memoria: Como a priori no haba una forma precisa de

determinar el tipo de procesador y cantidad de memoria necesarios para

esta aplicacin, se opt por seleccionar procesadores de gama media alta

para PDAs, debido a que la aplicacin tendra una elevada carga de

operaciones grficas y de comunicaciones.

Lector de tarjeta sd: En caso de disponer de l, facilitar el trabajo durante el

periodo de pruebas, para no tener que estar sincronizando la PDA con el

ordenador constantemente. Y ser imprescindible en caso de que deseemos

almacenar los mapas generados por la aplicacin, debido a la poca cantidad

de memoria de la que generalmente disponen las PDAs.

Ligera: Al ser un elemento que el operador deber cargar durante el periodo

en el que desee operar o supervisar el Robot, ser importante que el peso

sea el mnimo posible.

Sistema operativo: En el caso del sistema operativo se eligi Windows

Mobile. Teniendo en cuenta que es un sistema operativo muy extendido

para PDAs, esto nos proporcionar la capacidad de usar la aplicacin en

CAPTULO 3. HARDWARE


diferentes dispositivos mviles, como las HTC que tambin utilizan dicho

S.O. En cuanto a la versin de Windows Mobile, se consider vlida

cualquiera de las dos ms recientes, la 5 o la 6.

Finalmente, tras un proceso de seleccin, se tomo la decisin de adquirir la PDA HP

iPAQ 214 Enterprise; porque adems de cumplir con todos los requisitos y disponer

de unas muy buenas prestaciones (Como el potente procesador), no tena ningn

accesorio innecesario como Cmara, GPS o telfono; que no serviran ms que para

encarecer el precio final, aumentar el peso, o reducir el rendimiento global. A

continuacin podemos ver una imagen de la misma.

Figura 32: PDA HP iPaq 214

En la siguiente pgina podemos ver una tabla con las principales caractersticas de

la PDA HP IPaq 214.

CAPTULO 3. HARDWARE


ELEMENTO CARACTERSTICAS

Dimensiones (Ancho x Profundidad x

Altura) 7.6 cm x 1.6 cm x 12.6 cm

Peso 192 g

Procesador Marvell XScale PXA310 624 MHz

ROM 256 MB

Memoria RAM 128 MB

Display 640 x 480 4" matriz activa TFT

Imagen Color 18 bits

Audio salida Altavoces

Audio entrada Micrfono

Conectividad Inalmbrica IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, Bluetooth 2.0 EDR

Dispositivo de entrada Pantalla sensible al tacto, lpiz, pad de navegacin de 9

vas

Alimentacin CA 120/230 V ( 50/60 Hz )

Batera Ion de litio

Autonoma 8 horas Autonoma 8 horas

Sistemas operativos Microsoft Windows Mobile 6.0

Dimensiones (Ancho x Profundidad x

Altura) 7.6 cm x 1.6 cm x 12.6 cm

Tabla 3: Prestaciones PDA

CAPTULO 4. SOFTWARE


SOFTWARE

CAPTULO 4. SOFTWARE


4 Diseo software

En este apartado se trata de justificar la eleccin de los lenguajes de programacin

utilizados para el desarrollo de la aplicacin. Tambin se estudiar la estructura y

funcionamiento de la misma a travs de diagramas UML.

4.1 Por qu C#?

Gran parte de los dispositivos portables como las PDAs, llevan instalado

normalmente Windows Mobile en cualquiera de sus versiones, por esto a la hora de

elegir el entorno de programacin era necesario que el programa generado pudiese

funcionar en dicho sistema operativo. Los lenguajes ms utilizados para ello son

Java o C#.

La eleccin entre estos dos lenguajes de programacin es muy subjetiva, sera como

elegir entre Windows o Linux. Pero evaluando las diferencias, y teniendo en cuenta

que sabiendo C++ es muy sencillo programar en C#, que en el grupo se utiliza

Microsoft Visual Studio 2005 y que este entorno ya era conocido, finalmente se

eligi C#.

Ventajas frente a Java

El rendimiento es, por lo general, mejor.

Concepto formalizado de los mtodos get y set, con lo que se consigue

cdigo mucho ms legible.

Gestin de eventos (usando delegados) mucho ms limpia.

CIL (el lenguaje intermedio de .NET) est estandarizado, mientras que los

bytecodes de java no lo estn.

Soporta bastantes ms tipos primitivos (value types), incluyendo tipos

numricos sin signo.

Contiene indicadores que permiten acceder a cualquier objeto como si se

tratase de un array.

La compilacin es condicional.

Sus aplicaciones multi-hilo son simplificadas.

Soporta la sobrecarga de operadores, que aunque pueden complicar el

desarrollo son opcionales y algunas veces muy tiles.

CAPTULO 4. SOFTWARE


Permite el uso (limitado) de punteros cuando realmente se necesiten, como

al acceder a libreras nativas que no se ejecuten sobre la mquina virtual.

4.2 Por qu SOAP?

Como se ha descrito anteriormente, la PDA se comunicar con el Robot a travs de

una red WiFi. Por ello era necesario elegir cul sera el protocolo de comunicaciones

a utilizar durante el proceso de seleccin. Se barajaron tres opciones TCP, UDP y

SOAP:

Sockets UDP: proporciona la ventaja de poder mandar una gran cantidad de datos a

travs de la red, pero como apenas aade informacin para la comunicacin, no se

puede asegurar la llegada ni el orden de los mensajes, lo que podra ser un

inconveniente, (Podramos necesitar parar el robot inmediatamente) y sera

necesario contemplar estos casos. Por el contrario, en situaciones en las que es

importante mandar gran cantidad de datos en poco tiempo, (Como cuando se tiene

que enviar el mapa generado por el Robot a la PDA), resultara interesante por ser

el tiempo de envo ms reducido que en TCP o SOAP.

Sockets TCP: tiene la ventaja de permitir enviar grandes cantidades de informacin

de forma fiable, liberando al programador de la dificultad de gestionar la fiabilidad

de la conexin (retransmisiones, prdida de paquetes, orden en el que llegan los

paquetes, duplicados de paquetes...) que gestiona el propio protocolo. Sin embargo

la complejidad de la gestin de la fiabilidad tiene un coste en eficiencia, lo que

puede provocar que las comunicaciones entre la PDA y el Robot sean lentas en

comparacin con UDP.

La decisin final fue utilizar SOAP para la comunicacin. Despus de realizar

pruebas, se pudo comprobar que en nuestro caso los tiempos de envi eran algo

superiores a los de TCP, pero nos proporcionaba grandes ventajas en otros aspectos

como su alto nivel de estandarizacin.

Tanto los datos como las funciones se describen en XML, lo que permite que

el protocolo no slo sea ms fcil de utilizar sino que tambin sea muy

slido. Bastar con generar un archivo .wsdl de los servicios del ROBOT. Una

vez hecho esto, para nuestra aplicacin solo necesitaremos obtener el nuevo

archivo .wsdl y agregarlo a nuestro proyecto, teniendo que hacer mnimas

CAPTULO 4. SOFTWARE


modificaciones y sin ser necesario disponer ni conocer cdigo de los

mdulos del servidor.

Sencillo de implementar, probar y usar: Es muy importante la sencillez de

implementacin, en este tipo de aplicacin, en la que la parte del mdulo

RDK es creada modificada y depurada por diferentes personas, ya que cada

poco tiempo surge modificaciones y mejoras que hacen que sea necesario la

revisin y actualizacin del mdulo de transmisin recepcin de la PDA.

Permite la interoperabilidad entre mltiples entornos: SOAP se desarroll

sobre los estndares existentes de la industria, por lo que las aplicaciones

que se ejecuten en plataformas con dichos estndares pueden comunicarse

mediante mensaje SOAP con aplicaciones que se ejecuten en otras

plataformas.

No se encuentra fuertemente asociado a ningn protocolo de transporte: La

especificacin de SOAP no describe como se deberan asociar los mensajes

de SOAP con HTTP. Un mensaje de SOAP no es ms que un documento XML,

por lo que puede transportarse utilizando cualquier protocolo capaz de

transmitir texto.

CAPTULO 4. SOFTWARE


4.3 Diagramas UML

En este apartado, se va a proceder a la descripcin de la aplicacin a travs de

diagramas UML.

4.3.1 Diagrama de clases

En la siguiente pgina (Figura 33) podemos ver el diagrama de clases de la

aplicacin. No se han aadido los parmetros de los mtodos por su elevado

tamao para facilitar la lectura del documento. El usuario interaccionar con las

clases frmPdaRobotDriver y frmSetting (Son las clases asociadas a la vista principal

de la aplicacin y a la vista de propiedades).

Tambin cabe destacar la estructura de la aplicacin, en la que todas las clases se

comunican entre ellas a travs de una clase llamada RobotDriverManager, que

adems, ser la encargada de gestionar todas las operaciones de la aplicacin. Con

esta metodologa logramos tener una estructura clara y sencilla.

CAPTULO 4. SOFTWARE


Figura 33: Diagrama de clases de la aplicacin.

CAPTULO 4. SOFTWARE


4.3.2 Diagrama de estado

Con el siguiente diagrama de estado, podemos ver el funcionamiento de la

aplicacin. Una vez ejecutemos el programa, estaremos en estado desconectado. El

usuario podr conectarse y navegar en vista Laser&Sonar o en vista Mapa. Tambin

puede modificar los parmetros en el men Settings, para lo que previamente

debe estar desconectado.

Figura 34: Diagrama de estados.

Laser Navigate

Settings

Menu Settings

Settings OK

Connect & Laser

Disconnect

Disconnect

Disconnected

Map Navigate

Connect & Map

EXIT

START

MapLaser

CAPTULO 4. SOFTWARE


4.3.3 Casos de uso

Para facilitar la comprensin de los diagramas de casos de uso, primero, se ha

creado un diagrama general simplificado (Figura 35); a travs del cual llegamos

rpidamente a las siguientes conclusiones:

El usuario, tiene tres opciones:

Conectarse. Una vez conectado podr navegar en modo Mapa o en modo

Laser&Sonar. Adems, dependiendo del modo de navegacin podr

seleccionar diferentes niveles de autonoma.

Desconectarse.

Abrir el men settings.

Figura 35: Diagrama de casos de uso de la aplicacin

Una vez visto el diagrama general, estudiaremos las funcionalidades de cada uno de

los casos de uso que han sido simplificados. Adems en el anexo IV, tenemos las

tablas de todos los casos de uso.

Full Autonomy

Unsafe/Safe Teleoperation

Shared Control

Settings

Connect

Disconnect

Lase &Sonar Navigate

Map Navigate

Usuario

CAPTULO 4. SOFTWARE


Caso de uso Settings

Cuando accedamos al men settings (Figura 36) podremos: cancelar la operacin,

cargar los parmetros por defecto, o salir y guardar.

Figura 36: Casos de uso, Settings.

Caso de uso Laser&Sonar Navigate

Como podemos apreciar en la Figura 37, este caso de uso lo podemos descomponer

principalmente en otros tres.

Figura 37: Casos de uso, Laser&Sonar Navigate.

Ok

Default

Cancel

Usuario

ZoomInLaser

ZoomOutLaserUsuario

ValidateAutonomyMode

CAPTULO 4. SOFTWARE


Caso de uso Map Navigate

Cuando estemos navegando en la vista mapa, tendremos las siguientes

posibilidades. (Figura 38)

Figura 38: Casos de uso, Map Navigate.

Caso de uso Shared Control

En el modo de autonoma Shared Control el operador podr establecer un punto

o puntos de destino, as como establecer una ruta a seguir por el robot.

Figura 39: Casos de uso, Shared Control

Save

Refresh

Zoom

ZoomOut

Usuario

SetWayPoint

Usuario

SetPath

CAPTULO 4. SOFTWARE


Caso de uso Safe/Unsafe Teleoperation

Los modos de teleoperacin Safe Teleoperation y Unsafe Teleoperation, se han

juntado en un solo caso de uso, debido a que las funcionalidades de ambas son las

mismas.

Figura 40: Casos de uso, Safe/Unsafe Teleoperation.

Forward

Backward

Right

Left

Usuario

Stop

CAPTULO 4. SOFTWARE


4.3.4 Diagramas de secuencia

Por cada caso de uso, se ha creado un diagrama de secuencia que describe su

funcionamiento en la aplicacin.

Connect

Figura 41: Diagrama de secuencia. Connect.

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : RdkSoapService : MapModule : LaserModule : LaserDraw : ControlModule

ConnectToRobot( )

Url( )

StartSession( )

StartSession( )

getLaserParams( )StartSession( )

getMapParams( )

StartLaser( )

Draw( )

getKinematics( )

getLaserData( )

getSonarData( )

DrawSpeed( )

ShowLaserImage( )

ShowSpeedImage( )

SetAutonomyMode( )SetAutonomyMode( )

DrawObstacles( )

DrawLaser( )

: Usuario

menuConnect_Click( )

CAPTULO 4. SOFTWARE


Disconnect

Figura 42: Diagrama de secuencia. Disconnect.

Settings

Figura 43: Diagrama de secuencia. Settings.

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : ControlModule : LaserModule : MapModule

DisconnectFromRobot( )

EndSession( )

EndSession( )

EndSession( )

: Usuario


: frmPdaRobotDriver : frmSetting

ShowSettings( )

: Usuario

menuSetting_Click( )

CAPTULO 4. SOFTWARE


Exit

Figura 44: Diagrama de secuencia. Exit.

Laser&Sonar

Figura 45: Diagrama de secuencia. Laser&Sonar.

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : ControlModule : LaserModule : MapModule : Usuario

DisconnectFromRobot( )

EndSession( )

EndSession( )

EndSession( )


close( )

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : RdkSoapService : MapModule : LaserModule : LaserDraw : Usuario

StopMap( ) StopMap( )tabDriveMode_SelectedIndexChanged( )

StartLaser( ) StartLaser( )

Draw( )

ShowLaserImage( )

DrawObstacles( )

DrawLaser( )

getLaserData( )

getSonarData( )

DrawSpeed( )

ShowSpeedImage( )

CAPTULO 4. SOFTWARE


Map

Figura 46: Diagrama de secuencia. Map.

ZoomIn Laser

Figura 47: Diagrama de secuencia. ZoomIn Laser

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : RdkSoapService : MapModule : LaserModule

StartMap( )

StopLaser( )

StartMap( )

getRobotPose( )

ShowMapImage( )

StopLaser( )

Navigate( )

DrawRobotInMap( )

: Usuario

tabDriveMode_SelectedIndexChanged( )

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : LaserModule

DecRange( )

: Usuario

DecLaserRange( )

cmdDecRange_Click( )

CAPTULO 4. SOFTWARE


ZoomOut Laser

Figura 48: Diagrama de secuencia. ZoomOut Laser

Validate Autonomy Mode

Figura 49: Diagrama de secuencia. Validate Autonomy Mode.

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : LaserModule

IncLaserRange( )

IncRange( )

: Usuario

cmdIncRange_Click( )

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : ControlModule : RdkSoapService

KeyEnter( )

Stop( )Stop( )

SetAutonomyMode( )

SetAutonomyMode( )

: Usuario

cmdAutonomyValidat ion_Click( )

CAPTULO 4. SOFTWARE


Save Map

Figura 50: Diagrama de secuencia. Save Map.

Zoom Map

Figura 51: Diagrama de secuencia. Zoom Map.

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : MapModule

SaveMap( )

SaveMap( )

: Usuario

cmdSaveMap_Click( )

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : MapModule : RdkSoapService : Usuario

SetClickOnMapMode( )

ClickOnMap( )ClickOnMap( )

Zoom( )

DrawMapRLE( )ShowMapImage( )

cmdZoomClick( )

picMap_MouseDown( )

ClickOnMap( )ClickOnMap( )

picMap_MouseDown( )

CAPTULO 4. SOFTWARE


ZoomOut Map

Figura 52: Diagrama de secuencia. ZoomOut Map.

Refresh Map

Figura 53: Diagrama de secuencia. Refresh Map.

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : MapModule : RdkSoapService

SetClickOnZoomOut( )

ZoomOut( )RefreshMap( )

ShowMapImage( )

getFullMapRLE( )

DrawMapRLE( )

: Usuario

cmdZoomOutClick( )

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : MapModule : RdkSoapService

RefreshMap( )

RefreshMap( )getFullMapRLE( )

DrawMapRLE( )

ShowMapImage( )

: Usuario

cmdRefreshMap_Click( )

CAPTULO 4. SOFTWARE


SetWayPoint

Figura 54: Diagrama de secuencia. SetWayPoint.

SetPath

Figura 55: Diagrama de secuencia. SetPath.


cmdWayPoint_Click( )SetAutonomyMode( )

SetAutonomyMode( )picMap_MouseDown( ) ClickOnMap( )

ClickOnMap( )

cmdWayPoint_Click( ) WayPoint( )setRobotTargetPoses( )


cmdWayPath_Click( )SetAutonomyMode( )

SetAutonomyMode( )picMap_MouseDown( ) ClickOnMap( )

ClickOnMap( )

cmdWayPath_Click( ) WayPath( )setRobotDesiredPath( )

CAPTULO 4. SOFTWARE


Forward

Figura 56: Diagrama de secuencia. Forward, modo incremental.

Figura 57: Diagrama de secuencia. Forward, modo joystick.

Backward

Figura 58: Diagrama de secuencia. Backward, modo incremental.

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : ControlModule : RdkSoapService : Usuario

KeyUp( )SpeedInc( )

SpeedInc( )

KeyUp( )

: frmPdaRobotDriver : RobotDriverManager : ControlModule : RdkSoapService : Usuario

KeyUp( )KeyUp( )

SetSpeed( )setSpeed( )

: RobotDriverManager : frmPdaRobotDriver : ControlModule : RdkSoapService : Usuario

KeyDown( )KeyDown( )

SpeedDec( )SpeedDec( )

CAPTULO 4. SOF

Documents

pfc_juanignacioforcencarvalho.pdf