Sensores de movimientos:

Los sensores de movimiento son dispositivos que me permiten captar señales de movimiento, dentro de un espacio los sensores de movimiento son usados hoy en día en muchas áreas debido a su gran utilidad, por ejemplo en los supermercados las puertas tienen sensores de movimientos que detectan a las personas cuando se acercan a la puerta, logrando que este sensor emita una respuesta a un mecanismo de control que hace que la puerta se abra automáticamente, los sensores de movimientos son usados en radares, antenas, etc.

El objetivo de este tema es comprender la utilidad e importancia de este tipo de sensores en la robótica, actualmente la tecnología está avanzando hasta un punto de lograr la automatización de sistemas que respondan a cualquier función sin necesidad de recibir órdenes manuales, por ejemplo existen dispositivos de reconocimientos que poseen sensores de movimiento que les permiten poder ubicarse y desplazarse dentro de un área estos dispositivos se conocen como dispositivos no tripulados. ¿Qué quiere decir esto? Bueno que debido a los sensores que posee no solo de movimiento, junto con un sistema electrónico con circuitos integrados me permiten que el dispositivo se desplace de un sitio a otro y realice una tarea específica sin necesidad de tener a una persona que lo controle manualmente.

Existen aviones de reconocimiento que se desplazan y rastrean una zona sin necesidad de tener una persona como piloto dentro de este que lo controle, sino que son controlados a través de un sistema virtual.

En Japón uno de los países más desarrollados dentro del área tecnología, usa dispositivos conocidos como robots en muchos locales y áreas de servicios públicos como escuelas, hospitales, restaurantes etc. Donde estos robots se encargan de realizar diversas tareas que atiendan a las personas, y todos estos robots tienen sensores de movimiento entre otra clase de sensores obviamente, no solamente en Japón sino en muchos países estos sistemas robóticos son usados más que todo dentro de área de la medicina, donde estos robots me permiten hacer operaciones a los pacientes.

El motivo por el cual se decide usar este tipo de sensores para el desarrollo del robot de cámara distal frontal, es que este sensor permitan que el robot pueda seguir y captar los movimientos del nadador a medida que se desplaza de manera que tome esta información y la envié al sistema transmisor del robot que va a transmitir esa información a una computadora. De esta manera se podría determinar a qué velocidad se está desplazando el nadador.

Funcionamiento:

Los sensores de movimientos son dispositivos electrónicos que son capaces de detectar ondas infrarrojas o ultrasónicas, las ondas infrarrojas son ondas calóricas generadas por la temperatura corporal de los cuerpos y el movimiento de estos, los sensores de movimientos captan estas ondas y de esta manera pueden ubicar objetos en el espacio como personas, animales, carros etc.

Hoy en día los sensores modernos son capaces de programarse para detectar movimientos a ángulos que van desde 180 grados a 360 grados, pues un plano completo. Los sensores logran captar el movimiento de un objeto por 5 movimientos físicos que existen que están relacionados con la aceleración, la vibración, golpe, inclinación y rotación, estas 5 funciones físicas me permiten captar un objeto en un punto específico dentro de un plano, vamos a explicar cada uno de estos funciones físicas:

La aceleración es la variación de velocidad en el tiempo, lo cual es producto de un cambio de energía dentro de un objeto trayendo como a consecuencia que este aumente o disminuya su velocidad.

El golpe es el choque repentino de un cuerpo contra otro, generando vibraciones.

Las vibraciones son el resultado del choque de 2 cuerpos, o una fuente de energía por ejemplo la voz humana.

La inclinación y rotación están relacionados a la posición de un cuerpo respecto a la curvatura de la tierra y movimiento de rotación de esta, cuando un cuerpo está en movimiento este desplaza formando un ángulo el cual se puede representar dentro de un eje de coordenadas de esta manera se puede analizar y observar los cambios de posición del cuerpo.

En este proyecto de investigación el nadador va a efectuar todos estas funciones físicas, a medida que desplaza en el agua la aceleración con que se está desplazando va ir variando, no va a ser constante hay un punto donde su aceleración es máxima que sería en el momento en el que entra al agua y un momento donde su aceleración va a ser mínima que va a ser cuando llega al extremo de la piscina donde va a desacelerar para luego agarrar otra vez impulso.

Generalmente la técnica de natación que permite que los nadadores puedan obtener una mayor velocidad es el estilo libre, el cual es una técnica donde el nadador va a ejercer mucha más fuerza en las manos, ya que va a ver un momento donde estas van a estar fuera del agua y vuelven a sumergirse en un movimiento continuo y a su vez esto también va a aumentar con el movimiento de las piernas y abdomen, cuando el nadador se impulsa su cuerpo va a entrar

en contacto con el agua donde esta va a ejercer una fuerza sobre el nadador , y este sobre el agua a medida que se va a desplazando, esta fuerza va a ir generada por un golpe producido por el cuerpo del atleta específicamente en las manos, brazos, abdomen y piernas que son los puntos donde se ejercen mayor cantidad de fuerza, estos golpes va a crear vibraciones que van a viajar por el agua.

El nadador se va a ir desplazando a un cierto ángulo debido a los movimientos que el realiza, este ángulo va a ser generado por un nivel de inclinación y rotación que va a generar el nadador a medida que de desplaza ya que no va a viajar a un ángulo fijo, su ángulo va a ir variando hasta un rango máximo de 360 grados que generalmente los forma al momento de llegar a un extremo de la piscina, donde realiza un giro que le permite cambiar su sentido desplazándose ahora al otro extremo de la piscina, cuando el realiza este giro el usa sus piernas para impulsarse de nuevo a mediante un golpe que realiza a al extremo de la piscina con sus piernas lo cual permite que agarre impulso y aumente su velocidad.

En este proyecto el sensor de movimiento va a captar todos estos factores que me va a permitir que el robot pueda detectar al nadador, y ubicarlo donde esta información va a ser procesada y el robot va a seguir al nadador. Para esto se va elegir sensores inerciales, debido a que este tipo de sensores están compuestos por un acelerómetro.

Un acelerómetro es un dispositivo que nos permiten medir los cambios de velocidad en unidad de tiempo. La velocidad de expresa en metros sobre segundos, donde incluye la taza de desplazamiento, donde me dice establece si el objeto está desacelerando o acelerando cuando el valor de la aceleración es negativo quiere decir que el objeto está desacelerando, y está perdiendo velocidad. Consideremos ahora la aceleración en varios períodos separados de tiempo. La vibración puede considerarse como una aceleración seguida de una desaceleración y una nueva aceleración en el sentido inverso de traslación que ocurre rápidamente y de manera periódica. Del mismo modo, el choque es una des-aceleración que se produce de forma instantánea. Ahora volvamos a estirar los tiempos en que suceden los acontecimientos. Cuando un objeto se mueve y modifica su inclinación existen cambios donde la acción gravitatoria está involucrada. Ese movimiento tiende a ocurrir de forma lenta en comparación con un evento de vibración o de choque. Debido a que estos primeros cuatro modos de detección de movimiento (aceleración, vibración, choque e inclinación) se producen con la participación de determinados aspectos de la aceleración, se los mide con  la unidad de la fuerza que ejerce la gravedad sobre un objeto en la Tierra, es decir, por la fuerza “g”.

Un acelerómetro detecta la inclinación al medir el efecto que la fuerza de la gravedad ejerce sobre los ejes del acelerómetro que estén expuestos a esta acción en función de su posición en el espacio. Es decir, si consideramos un acelerómetro de tres ejes inerciales (X, Y, y Z)  debemos considerar las tres acciones de aceleración por separado para obtener los productos (resultados) de los ejes de movimiento.

La mayoría de los acelerómetros que existen en la actualidad en el mercado contrastan sus mediciones con la fuerza de gravedad  y luego convierten sus resultados en Voltios o en Bits (para el caso de los dispositivos con salida digital). Esta información se pasa a un microprocesador/microcontrolador y allí se realiza el proceso de interpretación de los datos adquiridos y se presentan de modo audiovisual o se los utiliza para ejecutar otras instrucciones de programa. Los recientes avances de la tecnología han hecho posible la fabricación de pequeños acelerometros de tecnología MEMS (micro-electro-mechanical systems) en los rangos de detección de bajas  y altas unidades de gravedad con anchos de banda mucho más amplios que antes, aumentando de este modo el campo de las aplicaciones potenciales. Se considera un rango de “bajo-g” de detección a valores inferiores a 20 g y dentro de este grupo se encuentran las acciones de movimiento que un ser humano puede generar. En consecuencia, las unidades de “alto-g” se utilizan en los movimientos de máquinas o vehículos, es decir, en los sistemas que el ser humano no puede recrear.

Hasta aquí sólo hemos hablado de movimientos lineales, específicamente del tipo de movimiento que incluye aceleración, vibración, choque e inclinación. La rotación en cambio requiere la comprensión de un movimiento angular. Este modo difiere de los anteriores porque la rotación puede tener lugar sin observarse cambios en la aceleración. Para entender cómo funciona debemos observar la imagen de un sensor inercial de 3 ejes, es decir, debemos imaginar a los ejes del sensor X e Y en posición paralela a la superficie de la Tierra y el eje Z apuntando hacia el centro de la Tierra. En esta posición, el eje Z entrega una medición de 1 g, mientras que los ejes X e Y obtienen una medición 0 g. Girando el sensor de movimiento sólo sobre el eje Z, los ejes X e Y nunca abandonan la medida de 0 g ya que no sufren desplazamientos lineales en ninguna dirección, en tanto que el eje Z siempre continúa entregando la medida de 1 g ya que está siempre en el mismo lugar sin avanzar, ni retroceder. Por lo tanto, entendemos de este modo que para detectar los movimientos de rotación de un cuerpo se utilizan los giróscopos.

Estos sensores inerciales son usados en muchos equipos hoy en día por ejemplo ciertas consolas como el caso del wii y el Xbox 360 que posee un Kinect el cual es un dispositivo que posee un sensor que capta los movimientos de la persona, en puntos específicos ubicados en la cabeza, manos, piernas, tronco o cintura y hombros y toma esa información y la pasa a un programa

que hace que el juego responda a los movimientos de la jugador, bueno exactamente así trabajan estos sensores inerciales. Para registrar el movimiento humano existen diferentes mecanismos, como el seguimiento mecánico, el seguimiento magnético, el seguimiento por vídeo, el seguimiento óptico, y los sistemas de seguimiento inerciales/magnéticos. Cada uno de estos mecanismos tiene sus ventajas, pero también sus defectos. El seguimiento mecánico es preciso pero bastante engorroso al hacer los movimientos inflexibles. El seguimiento magnético es más flexible, pero en él interfieren fácilmente los objetos metálicos próximos. El seguimiento por vídeo u óptico es flexible, pero requiere que haya suficiente luz y cámaras alrededor del escenario donde se encuentra el objeto a seguir. El desarrollo reciente de sensores MEMS supera la mayoría de los obstáculos mencionados al fijar los sensores al cuerpo a seguir. La tecnología MEMS permite la creación de dispositivos electromecánicos muy pequeños usando técnicas de fabricación de semiconductores. Un giroscopio MEMS de 3 ejes es un dispositivo inercial para detectar la rotación en el espacio 3D mediante la medición del ángulo de giro, pero tiene un problema inherente de deriva progresiva y ello limita su uso independiente. Para combatirlo, se puede usar de forma complementaria un acelerómetro de 3 ejes y un magnetómetro de 3 ejes. El acelerómetro funciona basándose en la segunda ley de Newton (F=ma, donde F es la fuerza, m es la masa, y a es la aceleración).

En condiciones de equilibrio o casi equilibrio, la salida puede ser aproximada por la gravedad, por lo que es posible usar un acelerómetro de 3 ejes para la estimación de la inclinación. Sin embargo, no resulta posible realizar la estimación del acimut usando ese mismo acelerómetro, para lo cual es necesario añadir un magnetómetro de 3 ejes, que funciona midiendo la dirección del campo magnético de la tierra. Aunque los sensores MEMS inerciales/magnéticos resultan prometedores en el seguimiento de un cuerpo rígido, para el seguimiento del movimiento humano se necesitan más de 15 nodos empotrados, incluyendo cada uno un acelerómetro de 3 ejes, un magnetómetro de 3 ejes y un giroscopio de 3 ejes. Por consiguiente, la comunicación será el siguiente desafío, con restricciones de tiempo real y fiabilidad para estos nodos. Aún más, para superar las limitaciones de las conexiones con cables, las tecnologías inalámbricas como Bluetooth, WiFi o ZigBee serían más deseables aunque conllevan nuevas complicaciones, como la sincronización, las colisiones, el desvanecimiento del canal de radio, etc. Además, el muestreo en tiempo real, los algoritmos de fusión de datos y el uso de baterías en los nodos establecerán limitaciones en cuanto a rendimiento y eficiencia energética de los procesadores empotrados y el sistema operativo en tiempo real para lograr un sistema práctico.

En este proyecto se va usar el sensor inercial, RS232, RS485 3DM el cual posee las siguientes características:

Capacidad de medición: +/- 180º del título de desvió, +/- 180º de la echada, y de +/- 70ºdel rodillo. Las órdenes ortogonales de magnetómetros se utilizan para computar la echada, el rodillo y el desvío sobre una gama angular ancha.

El kit del arrastrador incluye a tablero estándar, el recinto, el software, las comunicaciones seriales indispensables y el cable de transmisión, y un manual.

El software de Windows proporcionado comunica con 3DM sobre un puerto serial. El software da al usuario el control total sobre cómo se procesan, se presentan y registran los datos. La salida de puede programar para proporcionar salidas crudas del campo magnético y del acelerómetro, o echada, rodillo, y la salida procesada del desvio. Los filtros digitales programados por el usuario se utilizan para procesar datos del sensor estáticamente o dinámicamente, dependiendo del cambio de movimiento 3DM en un cierto plazo.

Voltaje positivo de la fuente que se extiende de 5,2 a 12 voltios de C.C.

Sensores de sincronismo:

Cuando nos referimos a la sincronización nos referimos a un sistema o red donde un dispositivo se pueda enlazar con otro dispositivo en este caso sensores, para que se comunicen entre si y se pueda transmitir información de un punto A a un pun punto B en tiempo real, de esta manera se logra establecer una sincronización, actualmente hoy en día muchos dispositivos están trabajando con tecnología de redes de sensores (Wireless sensor networks, WSN). La cual es una tecnología que me permite diversas

aplicaciones, hoy en día cada vez están evolucionando más los dispositivos, sensores y micro sensores, junto con las comunicaciones inalámbricas de baja potencia, que permiten la ubicación de redes de sensores con densidades de distribución relativamente altas, que se utilizan para múltiples aplicaciones, desde aplicaciones biológicas hasta monitorizaciones medioambientales de zonas extensas ya sea en bosques, en el mar o incluso en la atmósfera.

Estas redes nos pueden permitir integrar funciones que antes eran independientes unas de otras, y que ahora por medio de WSN, logran mayor eficiencia. Hasta ahora y desde hace tiempo las redes cableadas se encargaban de medir niveles de temperatura, líquido, humedad etc. Pero cada vez más, estos sensores cableados se están sustituyendo por sensores WSN, pues sus características los hacen más versátiles, incluso se les aplica el concepto de inteligencia, porque pueden poner en marcha una acción en concreto según la información que estén obteniendo o acumulando, con la ventaja de que no están limitados por una conexión cableada, sino que incluso se pueden ir moviendo.

Este tipo de sensores tiene diversas aplicaciones como por ejemplo:

Control y supervisión del medio ambiente. Detección acústica. Detección sísmica. Detección y control de actividad nuclear. Vigilancia militar. Seguimiento de inventario. Seguimiento de personas u objetos. Supervisión medica. Control de procesos operativos. Control tráfico en ciudades y carreteras. Domótica.

Este es el motivo por el cual se quiere usar este tipo de tecnología para el diseño del robot de cámara distal frontal, para poder sincronizar al atleta con el robot de manera que este lo pueda seguir siguiendo su velocidad, es decir el robot lograría viajar a la misma velocidad que el nadador.

Este sensor podría ir en la cintura del nadador debido a que es la zona mas estable al momento de nadar, debido a que el nivel de movimiento es menor respecto a los brazos y piernas, se podría poner una especie de cinturón que tenga el sensor adaptado de esta manera este sensor serie reconocido por el sensor de movimiento, ya que el sensor de movimiento lo único que me va a permitir es que el robot se desplace cuando el nadador este nadando pero para lograr que sincronice con la velocidad de este y se desplace a la misma velocidad, necesitamos estos sensores de sincronización también con tecnología WSN.

Entonces ¿cuál es el objetivo de usar estos dos sensores? Pues lograr que el robot siga al nadador de acuerdo a su velocidad y evite que este choque con los bordes de la piscina, y sufra algún daño. Se va a usar los sensores tipo Zigbee.

Una vez estudiado de forma detallada el medio de transmisión que se usará para llevar a cabo este tipo de proyecto, se debe realizar una búsqueda exhaustiva de los dispositivos que se encuentran en el mercado y que compondrán nuestro proyecto. En nuestro caso vamos a elegir el siguiente modelo. XBee ZNet 2.5 RF Module.

El módulo XBee ZNet 2.5 RF satisface las necesidades de bajo coste y bajo consumo exigido en redes de sensores inalámbricas. El módulo diseñado para ZigBee es de fácil uso, requiere niveles mínimos de potencia y proporciona una entrega fiable de datos entre dispositivos. Su pequeño tamaño ayuda a su integración en una PCB.

Este módulo, totalmente compatible con ZigBee, opera a una frecuencia de 2.4GHz dentro de la banda ISM. Está diseñado para su uso en US, Canadá, Australia y Europa. No precisa de ninguna configuración para comunicaciones RF. XBee ZNet 2.5 no está configurado para ningún nivel de aplicación específico, esto proporciona que se pueda usar en una amplia gama de sistemas.

Las principales especificaciones del módulo XBee ZNet 2.5 RF son las siguientes:

Frecuencia: 2.4GHz

Potencia de salida: 50mW (+17dBm) Consumo Rx: 45mA Consumo Tx: 295mA Pila: 3.0 – 3.4V Temperatura: -40ºC a 85ºC Distancia: Interior: 120m / Exterior: hasta 1.6km Tamaño (cm): 2.43 x 3.29 Peso: 3gramos Uso para redes avanzadas y soporte de módulos de bajo consumo. Conectores RPSMA y U.FL, antena Chip o antena Wired Whip.