Instituto Politecnico NacionalCentro de innovacion y Desarrollo

Tecnologico en Computo

T E S I S

Diseno de un Sistema de TeleoperacionHaptica para un Cuadrotor

Que para obtener el grado de

Maestrıa en Tecnologıa de Computo

presenta

Marco Antonio Butron Castaneda

Directores de Tesis

Dr. Gabriel Sepulveda Cervantes

Dr. Edgar Alfredo Portilla Flores

Mexico, D.F., enero de 2014

This paper is dedicated to all of us who believe

in the wonders of human ingenuity and robot servitude

for the betterment of our life

Shimon Nof

Resumen

El presente trabajo se trata del diseno de un sistema de teleoperacion haptica para

un cuadrotor, a lo largo de este se hablara de las plataformas experimentales que

se utilizaron (dispositivo haptico, cuadrotor, sistema de computo) y los argoritmos

y programas empleados para su utilizacion en conjunto. Cabe mencionar que el

trabajo es de integracion de tecnologıas, dicha integracion se logra mediante el

analisis, entendimiento y programacion de los sistemas utilizados. La programacion

de los subsistemas, tales como el dispositivo haptico, el cuadrotor y la interfaz de

usuario, los cuales fueron realizados de manera modular.

Abstract

This paper presents the design of a haptic tepeoperacion system for a quadrotor,

along this will be discussed experimental platforms that were used (haptic device,

cuadrotor, computer system) and the argorithms and programs used for the inte-

gration. It should be mentioned that this work is about integration of technologies,

such integration is achieved through analysis, understanding and programming of

systems. The programming of the subsystems, such as the haptic device, the cua-

drotor and the user interface, were programmed in a modular way.

iv

Indice General

Resumen IV

Abstract IV

Indice de Figuras VII

Indice de Tablas IX

1. Antecedentes 1

1.1. Robotica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1. Robotica Movil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.1.1. UAVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2. Teleoperacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.1. Elementos y Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.2. Arquitectura de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2.3. Dispositivos de Control y Retroalimentacion . . . . . . . . . 8

1.2.3.1. Dispositivos de Control . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2.3.2. Caracterısticas de los Dispositivos de Control . . . 12

1.2.3.3. Dispositivos de Retroalimentacion . . . . . . . . . . 13

1.2.4. Caracterısticas de los dispositivos de Retroalimentacion . . . 14

1.2.5. Factores Humanos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.5.1. Caracterısticas Dinamicas del Operador . . . . . . 15

1.2.6. Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.6.1. Control Unilateral . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.2.6.2. Control independiente y control integrado . . . . . 18

1.2.6.3. Control en posicion y velocidad . . . . . . . . . . . 19

1.2.6.4. Control por reflexion de fuerzas . . . . . . . . . . . 19

1.3. Haptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3.1. Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3.2. Representacion Haptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.3.2.1. Tipos de Representacion Haptica . . . . . . . . . . 22

1.4. LabView . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2. Estado del Arte 26

v

Indice vi

2.1. A Passivity-Based Decentralized Approach for the Bilateral Tele-operation of a Group of UAVs with Switching Topology [18] . . . . 27

2.2. Experiments of Passivity-Based Bilateral Aerial Teleoperation of aGroup of UAVs with Decentralized Velocity Synchronization [19] . 28

2.3. Haptic Teleoperation of Multiple Unmanned Aerial Vehicles overthe Internet [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.4. An Evaluation of Haptic Cues on the Tele-Operator’s PerceptualAwareness of Multiple UAVs’ Environments [21] . . . . . . . . . . 30

2.5. Shared Control; Balancing Autonomy and Human Assistance witha Group of Quadrotor UAVs [22] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.6. Motivacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.7. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.8. Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3. Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 35

3.1. Cuadrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2. Modelado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3. Simulacion del Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.4. La plataforma AR.Drone de Parrot . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.4.1. El Vehıculo Aereo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.4.1.1. Electronica de abordo . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.4.2. Arquitectura de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.4.3. Experimento con Cuadrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4. Dispositivo Haptico 49

4.1. Descripcion y Funcionamiento del Dispositivo . . . . . . . . . . . . 49

4.1.1. Interfaces Hapticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.2. Control del Dispositivo Haptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.2.1. Experimento con Dispositivo Haptico . . . . . . . . . . . . . 55

5. Plataforma Experimental 59

5.1. Componentes del Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.2. Lazos: Cinestesico, Control, Servo y Visual . . . . . . . . . . . . . . 60

5.2.1. Flujo de Informacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.3. Programacion del Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.4. Interfaz de Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6. Resultados Obtenidos 73

6.1. Publicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

6.2. Trabajo a Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Bibliografıa y Referencias 79

Indice de Figuras

1.1. Robot industrial KUKA para trabajos de presicion, [2] . . . . . . . . . 2

1.2. Primeros globos considerados como ancestros de los UAVs, [6] . . . . . . 4

1.3. Elementos basicos de un sistema de teleoperacion, [7] . . . . . . . . . . 6

1.4. Niveles de modo de control remoto, [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5. Arquitectura generica de un sistema de teleoperacion, [7] . . . . . . . . 9

1.6. Diversos dispositivos hapticos, [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.7. PHANToM R© Omni R©, [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.8. Guante sensorizado, [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.9. El operador como controlador del sistema de teleoperacion, [7] . . . . . 15

1.10. Esquema general de control unilateral, [7] . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.11. Diagrama de bloques y de usuario en LabView . . . . . . . . . . . . . 25

2.1. Elementos del sistema del artıculo, [19], a) Sistema real, 4 cuadrotores,

el lider es teleoperado, b) Mando de retroalimentacion haptica para el

usuario, c) Sistema virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2. UAVs en ambiente de simulacion 3D y mando haptico, [20] . . . . . . . 30

2.3. Experimento, Interfaz grafica de Usuario o GUI, por sus siglas en ingles

y mando haptico Omega, [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.4. Arquitectura general del sistema, visto para un numero n de UAVs. [22] 33

3.6. Comportamiento del centro de masa del cuadrotor con respecto al marco

coordenado, se induce un momento en el eje de giro x. . . . . . . . . . . 40

3.7. Comportamiento del centro de masa del cuadrotor con respecto al marco

coordenado, se inducen dos momentos en el eje x y en y. . . . . . . . . 40

3.8. Comportamiento del centro de masa del cuadrotor con respecto al marco

coordenado, se inducen dos momentos en el eje y y en z. . . . . . . . . 41

4.1. Dispositivo haptico Falcon R© Novint R© . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.2. Principales componentes de una interfaz haptica y sus interrelaciones, [33] 53

4.3. Diagrama de flujo Maestro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.4. Cırculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.5. Diagrama de flujo Esclavo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5.1. Elementos basicos del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.2. Lazos internos del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.3. Diagrama de flujo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.4. Diagrama de flujo, accion del dispositivo haptico . . . . . . . . . . . . 65

vii

Indice de Figuras viii

5.5. Diagrama de control del AR.Drone [35] . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.6. Diagrama de flujo, datos del Cuadrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.7. Inrterfaz de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.8. Programacion grafica del resorte en LabView . . . . . . . . . . . . . . 70

5.9. Implementacion de la retroalimentacion haptica en LabView . . . . . . 71

5.10. Bloque completo del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Indice de Tablas

1.1. Caracterısticas de los mecano-receptores cutaneos . . . . . . . . . . . . 17

1.2. Caracterısticas necesarias de un sistema teleoperado derivadas de las

caracterısticas senso-motrices de los seres humanos, [7] . . . . . . . . . 17

3.1. Pilotaje del cuadrotor mediante el teclado . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1. Caracterısticas del dispositivo Falcon R© . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.2. Comparacion del Falcon R© con dispositivos de uso/caracterısticas similares 51

ix

Capıtulo 1

Antecedentes

1.1. Robotica

A lo largo del la historia el hombre ha desarrollado herramientas que lo ayuden

a desempenar tareas que de otra forma le serıan complicadas, laboriosas o peli-

grosas. Cuando el hombre comenzo a utilizar herramientas, estas no eran mas que

palos y piedras que les permitıan cazar o recolectar frutos de algun arbol. Despues

de la revolucion indistrial hubo un auge en el desarrollo de tecnologıa, como siem-

pre, las guerras han estado directamente relacionadas. Desde el Unimate, primer

robot1 industrial, que fue instalado en el area de fundicion de la empresa General

Motors, esto en el ano de 1961, el desarrollo de la robotica no se ha detenido y

ha ido creciendo a pasos agigantados. En sus primeros anos los robots no hacıan

mas que tareas repetitivas o peligrosas en las lıneas de ensamblaje, principalmente

en empresas manufactureras que tenıan la capacidad de comprar un artilugio de

estos. En la actualidad podemos encontrar robot industriales muy complejos que

desarrollan casi el total de las tareas que los humanos desempenaban en las lıneas

de montaje y ensamblaje, esto, principalmente puede ser visto en el area automo-

triz donde el personal humano solamente se dedica a tareas sencillas y casi todas

ellas de supervision o medicion. Un ejemplo de estos robots puede observarse en

la figura 1.1 el cual tiene una presicion y repetibilidad adecuadas para la indus-

tria, ademas puede ocuparse para trabajos de corte laser o maquinado de piezas,

1Robot, palabra acunada por el checo Karel Capek en su obra dramatica ((Rossum’s UniversalRobots)), tomada de la palabra checa ((robota)) que significa esclavo o trabajo forzado.

1

Antecedentes 2

esta dotado de 6 GDL2 de los cuales se ocupan 3 para la posicion del robot y 3

para la orientacion del efector final.

Figura 1.1: Robot industrial KUKA para trabajos de presicion, [2]

Una de las caracterısticas principales de los robots industriales es que son de base

fija o por llamarlo de otra manera, robot de base inercial, este tipo de robots se

caracterizan por tener un marco coordenado base fijo, a partir del cual se realizan

todos los calculos cinematicos y dinamicos para el desempeno de diferentes tareas

como pueden ser: seguimiento de trayectorias, trabajos de carga, por mencionar

algunos. Pensando en trabajos que requieren la precision y repetibilidad de un

robot, pero que no son dentro de una industria formal o dentro de un espacio de

trabajo conocido, nacio la robotica movil.

1.1.1. Robotica Movil

Despues de que se estableciera formalmente la robotica en la industria durante

los anos setentas y ochentas otras formas de robootica surgieron, estas nuevas

((formas)) daban cabida a necesidades no antes cubiertas por los investigadores en

el area.

Lunokods y rovers fueron los primeros robots moviles que se crearon, especıfica-

mente para exploracion espacial, pero dieron pie a que se desarrollaran trabajos

2Grados de libertad, se dice que un objeto cuenta con n grados de libertad, si su configuracionpuede ser expresada de forma mınima por n parametros, [1]

Antecedentes 3

(a) Robot TALON para uso militar, [3] (b) Roomba, robot para aseo, [4]

tan rudimentarios o complejos como puedan imaginarse. Actualmente podemos

encontrar robots para servicio humano, robots caseros a precios asequibles, y son

robots que desempenan tareas sencillas como barrer o aspirar hasta robots mas

complejos como son los sistemas de telepresencia, robots militares todo terreno

con pacidades de comunicacion e identificacion de paquetes, enemigos, etc. (este

ultimo se muestra en la figura 1.3) y los robots moviles aereos en todas sus formas.

Las principales caracterısticas de los robots moviles o de base no inercial, es pre-

cisamente eso, que no tienen una base fija y pueden desplazarse de un ambiente

a otro siempre y cuando sus mecanismos de movimiento se lo permitan, es de-

cir, pueden ser utilizados para la misma o diferentes tareas en diversos espacios o

ambientes, desde laboratorios con caracterısticas conocidas hasta ambientes hos-

tiles y desconocidos en los cuales el humano no puede ingresar facilmente. Con el

desarrollo de la robotica movil vino consigo el desarrollo de robots aereos y con

esto lo que llamamos UAVs (Unmaned Aerial Vehicules por sus siglas en ingles) o

vehıculos aereos no tripulados.

1.1.1.1. UAVs

En su comienzo, los UAVs no fueron mas que globos de aire caliente que se usaban

para arrojar bombas, tal y como sucedio el 22 de agosto de 1849 cuando Austria

atacaba Venecia [5]. Posteriormente, muy posteriormente de hecho, los UAVs

empezaron a ser utilizados, principalmente en actos belicos, despues de la primera

guerra mundial se comenzaron a disenar y fabricar lo que serıan los predecesores de

Antecedentes 4

Figura 1.2: Primeros globos considerados como ancestros de los UAVs, [6]

los que hoy son ’”misiles crucero’”, en ese entonces llamados ’”torpedos aereos’”,

fueron estos los primeros vehıculos aereos no tripulados [6], bombas autodirigidas

1.2.

Los UAVs son en si vehıculos que no llevan personas a bordo y no todos los UAVs

pueden ser considerados robots, ya que para que sean considerados de esta manera,

se requiere que estos tengan cierta autonomıa y que no sean pilotados de manera

remota con un control para el usuario. Retomando un poco la terminologıa de los

robots industriales, se puede decir que aquellos UAVs que tengan un sistema de

control a bordo, el cual pueda autopilotarlos y recrear alguna trayectoria o tarea

pueden ser considerados como robots.

1.2. Teleoperacion

A mediados del siglo pasado se vio la necesidad de manipular materiales en am-

bientes potencialmente peligrosos o con propiedades radioactivas, fue entonces

cuando se comenzaron a desarrollar dispositivos mas complejos para manipular a

distancia.

Estos desarrollos desembocaron finalmente en lo que se conoce como sistemas

de teleoperacion maestro-esclavo, en los que un manipulador denominado esclavo

Antecedentes 5

reproduce fielmente los movimientos de un dispositivo o manipulador maestro,

controlado a su vez manualmente por un operador humano. Se puede decir que es

entonces cuando la teleoperacion cobra importancia como tecnologıa.

De forma general, la teleoperacion comprende todas aquellas tecnologıas que per-

miten a un ser humano operar a distancia, con aplicacion especıfica a la realizacion

de tareas imprescindibles probablemente no repetitivas en ambientes hostiles y/o

inaccesibles. Tambien como teleoperacion se entiende la accion propiamente dicha

de operar a distancia.

1.2.1. Elementos y Arquitectura

A continuacion se describe la forma mas habitual de trabajar con un sistema basico

de teleoperacion, pero aunque es la mas general hay que tener en cuenta que no

es la unica posible. En un sistema de teleoperacion es necesario contar con un

operador humano, que ha de estar siempre presente durante la realizacion de la

tarea; pero a no ser que se este teleoperando un robot, es el propio operador el

que cierra en todo momento el bucle de control mas externo.

Primero, el operador maneja un manipulador maestro o dispositivo de control,

para indicar los movimientos y demas acciones del elemento esclavo que realiza el

trabajo en zona remota. Como esta zona suele ser peligrosa o estar a una consi-

derable distancia es necesario contar con algun tipo de interfaz que proporcione

algo de telepresencia al operador. Lo mas basico es contar con una interfaz visual

que le permita ver los objetos del entorno y como se mueve el sistema teleoperado.

Para aumentar mas la telepresencia, se puede contar con un sistema para la re-

alimentacion sobre el operador de las fuerzas de reaccion que siente el dispositivo

teleoperado en su interaccion con el entorno. Para ello se debera de contar con los

respectivos sensores y actuadores sobre el dispositivo maestro-esclavo.

Tanto para la trasmision de las senales del maestro hacia el esclavo y viceversa son

necesarios unos buenos canales de comunicacion adaptados a las necesidades del

ancho de banda y a los requerimientos propios del entorno. Generalmente, en los

sistemas mas avanzados se cuenta con una computadora encargada de procesar

todo el flujo de senales y de adaptarlas o utilizarlas para otros fines. De forma

general, un sistema teleoperado consta de los siguientes elementos, que tambien se

muestran en la figura 1.3:

Antecedentes 6

Figura 1.3: Elementos basicos de un sistema de teleoperacion, [7]

Operador o teleoperador

Dispositivo teleoperado

Dispositivos de control

Dispositivos de realimentacion

Control y canales de comunicacion

Sensores

1.2.2. Arquitectura de Control

El grado y modo de intervencion en la realizacion de la tarea con un sistema

teleoperado puede variar segun las circunstancias y necesidades. En la figura 1.4

se muestran diversos grados de control, desde un control totalmente manual a

un control totalmente automatico. Entre estos dos extremos se tiene un control

manual en el que las senales de control y realimentacion son procesadas por un

ordenador, para adecuarlas a las necesidades del dispositivo; en este esquema el

operador tiene control total del sistema y de la generacion de comandos.

Cuando ciertos bucles de control se cierran a traves de un ordenador sin que lle-

guen al operador, se habla de control supervisado, es lo que se representa en el

esquema tercero y cuarto de la figura 1.4, vista de izquierda a derecha. En el

tercer esquema el operador todavıa mantiene un cierto grado de control y gene-

ra comandos de forma continua, mientras el ordenador se encarga de adaptar o

mejorar los comandos manuales o cerrar bucles de control complementarios.

Antecedentes 7

Figura 1.4: Niveles de modo de control remoto, [7]

Dependiendo de como se comparta temporalmente la realizacion de las tareas entre

el operador y el sistema de control se tienen dos opciones:

1. Control compartido: de manera simultanea ambos comparten la ejecucion de

la tarea.

2. Control negociado: computador y operador trabajan de forma alternativa.

Finalmente, en el cuarto esquema la mayor parte del control la realiza el compu-

tador, dejando al operador encargarse de comandos de alto nivel de manera inter-

mitente. Este tipo de control es util para situaciones en las que existe un retardo

en las comunicaciones entre la zona local y la zona remota.

La figura 1.5 muestra una arquitectura de un sistema de teleoperacion, con los blo-

ques de procesamiento y los canales de comunicacion. A continuacion se describe

la funcionalidad de cada uno de los bloques de esta arquitectura:

Dispositivo de control: dispositivo que controla el operador, con el que se ge-

neran los comandos hacia el dispositivo teleoperado.

Pre-procesamiento de comandos: representa el procesamiento de las senales

generadas por los dispositivos de la zona local.

Antecedentes 8

Lazo de control autonomo: depende del grado de autonomıa, modifica o adap-

ta los comandos incluso genera ordenes nuevas.

Sistema teleoperado: dispositivo que esta bajo el control del operador a traves

del sistema de teleoperacion. Contiene sensores que enviaran distintos tipos

de medidas a la zona local.

Pre procesamiento de realimentacion: representa el procesamiento de las senales

realimentadas que vienen de la zona remota.

Combinacion y distribucion de la informacion: se concentra toda la infor-

macion proveniente de la zona remota, proporciona informacion util para la

posible realimentacion de fuerzas como una realimentacion visual.

Realimentacion visual basica: dispositivos de realimentacion de la informa-

cion visual (monitores).

Realimentacion visual aumentada: representa pantallas en las que se repre-

senta en forma de graficos informacion proveniente de la zona remota.

Simulador: puede tratarse de un simulador predictivo, util para prever el resul-

tado de los comandos en sistemas con retardos en la comunicacion, tambien

puede estar dotado de inteligencia y a partir de los comandos basicos crear

comandos finales a trasmitir en la zona remota.

Realimentacion haptica: sistema de realimentacion de fuerzas directamente so-

bre el brazo o la mano del operador, la generacion de la fuerza debe estar

basada directamente en la fuerza de contacto medida en la zona remota, o

incluso basada en un modelo existente en el simulador.

1.2.3. Dispositivos de Control y Retroalimentacion

Dos elementos importantes de un sistema de teleoperacion son los dispositivos de

control y realimentacion. Los primeros son usados por el operador para generar

comandos de movimiento o control para el sistema, y los segundos tienen como

objetivo proporcionar al operador informacion de lo que esta ocurriendo en la zona

remota.

Antecedentes 9

Figura 1.5: Arquitectura generica de un sistema de teleoperacion, [7]

Existen en el mercado una gran variedad de ambos dispositivos, muchos de ellos

recien salidos de los laboratorios de investigacion, pues se trata de un mercado en

constante evolucion.

1.2.3.1. Dispositivos de Control

Existe una gran variedad de dispositivos de control aplicables a la teleoperacion,

algunos han sido disenados especıficamente para este ambito, mientras otros son

de interaccion con las computadoras o provienen del ambito de la realidad virtual

o la industria de juegos para computadora, un ejemplo de estos son el Falcon de la

empresa Novint y el Sidewinder de Microsoft, ambos fabricados en primer plano

como dispositivos de control para videojuegos.

En funcion de los GDL que el dispositivo permite comandar se puede clasificarlos

en dispositivos 2D (comandos en un plano) y dispositivos 3D (comandos en el

espacio) que pueden ser unicamente de 3 GDL para posicionamiento o tambien

de 6 GDL para orientacion, siendo los dispositivos 3D son los mas habituales en

teleoperacion por esta misma razon.

Antecedentes 10

(a) FalconR© de NovintR© con agarradera enforma de pistola, [8]

(b) SidewinderR© de MicrosoftR©,[9]

Algunos de estos dispositivos cuentan con una palanca o agarradera capaces de

medir desplazamientos y generar comandos en tres o mas GDL, se distinguen los

siguientes tipos:

Cartesianos: se componen de una palanca de mando sobre un sistema de ejes

lineales colocados en una configuracion ortogonal. Sus principales ventajas

son el aumento del volumen de trabajo y la mayor movilidad del usuario.

Por otro lado pueden llegar a ser muy voluminosos. (ver figura 1.6c)

Paralelos: estan basados en una cadena cinematica paralela, compuesta por

una base fija y una plataforma movil conectadas por seis articulaciones li-

neales dispuestas en paralelo (ver figura 1.6b). La palanca de mandos esta de

forma tal que permite movimientos de 6 GDL, tiene buena precision de po-

sicionamiento, gran robustez y buena caracterıstica dinamica, por otro lado

el control cinematico es mas complicado y para grandes desplazamientos la

estructura puede ser demasiado voluminosa.

Fuerza/par: estos dispositivos cuentan en la palanca o agarradera de un

sensor fuerza/par capaz de medir la fuerza y el par que el operador ejerce

sobre ella. Presenta el problema de no ser intuitivo para algunos movimientos

y la precision de los comandos por parte del operador no es buena. (ver

figura 1.6c)

Otros tipos de dispositivos son denominados como controles articulados, en este

grupo se incluyen los dispositivos que permiten generar comandos en 3 o mas GDL

y estan compuestos por una cadena cinematica articulada en serie. Son siempre

disenos especıficos y buscan aumentar la teleoperacion.

Antecedentes 11

a)SpaceMouse b)Ejemplo de dispositivo paralelo c)PERForce

Figura 1.6: Diversos dispositivos hapticos, [7]

Brazos maestros: similares a los manipuladores pasivos que el operador guıa

moviendo su extremo en forma de agarradera, pueden estar anclados al techo

o pared ası como sobre una mesa o el suelo. Son muy intuitivos para el opera-

dor, pues se mueven como si moviera el brazo, permiten realizar movimientos

de 6 GDL y en general presentan caracterısticas dinamicas deficientes.

Sondas maestras: mecanismos articulados en serie de dimensiones pequenas,

el operador agarra el extremo con los dedos y opera como si se tratase de un

lapiz o apuntador. Existen versiones de 3 y 6 GDL. Son tambien dispositivos

muy intuitivos, y mucho mas compactos que los brazos maestros, lo que les

permite tener un mayor rango dinamico, con un volumen medio de traba-

jo. Su principal inconveniente es el cansancio que representa su operacion.

(figura 1.7).

Exo-esqueletos: estructuras similares a los brazos maestros pero anclados

directamente al brazo del operador, de forma que reproducen directamente

sus movimientos.

Figura 1.7: PHANToM R© Omni R©, [7]

Antecedentes 12

Existen tambien otras tecnicas y dispositivos propios de otros campos, como reali-

dad virtual que pueden utilizarse como dispositivos de entrada. Los mas relevantes

son:

Guantes sensorizados: tambien llamados guantes de datos. Se trata de guan-

tes en los que se han colocado una serie de sensores que permiten captar el

movimiento y la posicion de cada uno de los dedos de la mano (figura 1.8).

Permiten manejar un gran numero de GDL, su aplicacion en teleoperacion

es limitada por su poca precision.

Figura 1.8: Guante sensorizado, [10]

Dispositivos de seguimiento corporal: dispositivos que permiten localizar en

el espacio los diversos miembros, e incluso el cuerpo entero. Hacen uso de

una gran cantidad de tecnologıas: optica, mecanica, magnetica o inercial.

1.2.3.2. Caracterısticas de los Dispositivos de Control

Las caracterısticas de los dispositivos de control de entrada de comandos de un

sistema determinan la utilidad del mismo, por tanto es interesante contar con una

serie de caracterısticas que permitan identificar las prestaciones de cada dispositivo

frente a otros.

Se dividen estas caracterısticas en 3: las funcionales, las de diseno y por ultimo las

de adecuacion para el uso. A continuacion se profundiza en las tres mencionadas.

Caracterısticas funcionales:

Modos de control: manera en que se generan los comandos y como esos

comando se relacionan con el movimiento del dispositivo remoto.

Manos requeridas: numero de manos necesarias para el control del disposi-

tivo.

Antecedentes 13

Precision y control fino: hace referencia a la precision del dispositivo y su

resolucion.

Carga de trabajo: se refiere a la atencion y necesidad de la aplicacion de los

diferentes sentidos para el uso del dispositivo.

Caracterısticas de diseno:

Ancho de banda: ancho de banda del bucle de control entre dispositivo de

control y el sistema teleoperado, es decir, la frecuencia a la que se muestrean

los comandos y se transmiten.

Volumen de operacion: volumen necesario para poder operar comodamente

el dispositivo de entrada.

Velocidades y aceleraciones maximas: velocidades y aceleraciones a los que

el operador puede mover el dispositivo.

Flexibilidades y errores estaticos: hace referencia a la flexibilidad mecanica,

servo control y a los posibles errores estaticos.

Acoplamiento cruzado: acoplamiento fısico durante la operacion entre dis-

tintos comandos de movimiento.

Efectos inerciales: la inercia aparente que el operador siente al mover el

dispositivo de entrada.

Caracterısticas de adecuacion para el uso:

Complejidad y fiabilidad.

Costo.

Seguridad.

1.2.3.3. Dispositivos de Retroalimentacion

Se entiende como dispositivos de realimentacion a todos aquellos dispositivos que

informan al operador sobre el desarrollo de la tarea. Los tipos de dispositivos estan

relacionados con el tipo de informacion que se quiere mostrar al operador: visual,

cinestesica, tactil o auditiva fundamentalmente. Dentro de los cuales encontramos:

Antecedentes 14

Monitores de video.

Pantallas de visualizacion tridimensional.

Cascos de visualizacion tridimensional.

Visualizadores transparentes.

Dispositivos de realimentacion tactil.

Dispositivos de realimentacion cinestesica o de fuerzas.

1.2.4. Caracterısticas de los dispositivos de Retroalimen-

tacion

Para que la informacion sea util al operador, no le confunda y le preste una imagen

fiel sobre lo que esta ocurriendo en la zona remota, es necesario prestar atencion

a una serie de caracterısticas. Estas basicamente mecanicas son explicadas acon-

tinuacion. Caracterısticas mecanicas:

Ancho de banda: ancho de banda de la informacion que se realimenta al

operador de forma mecanica.

Nivel de retroalimentacion: capacidad de generar fuerzas de mayor o menor

nivel sobre el operador. Dependiendo del sistema se requerira la reproduccion

exacta o escalada de la fuerza.

Retroalimentacion activa o pasiva: indica si la realimentacion sobre el ope-

rador implica una reaccion inmediata del mismo.

Ajuste: hace referencia a la versatilidad del dispositivo para adaptarse a

diversos usuarios.

Ergonomıa: postura del usuario.

Peso y tamano: peso y tamano del dispositivo de realimentacion, importante

en aquellos dispositivos portatiles.

Equilibrado: distribucion correcta del peso

Resistencia: capacidad de aguantar condiciones mecanicas adversas

Antecedentes 15

Mantenimiento y almacenamiento: tipo de mantenimiento necesario y capa-

cidad de almacenamiento y transporte cuando no esta en uso.

1.2.5. Factores Humanos

Una de las mayores diferencias de los sistemas de teleoperacion con respecto a

sistemas de funcionamiento automatico es la intervencion de un operador humano

en la realizacion del proceso. Esta intervencion se debe al hecho de requerir rea-

lizar tareas no predecibles o de gran complejidad, por lo que no tienen una facil

automatizacion, de esta forma se aprovecha la enorme capacidad de decision y

respuesta ante eventos externos que poseen los humanos.

La importancia del operador radica en que cierra el bucle de control del sistema

global. El operador actua como un controlador, generando senales de actuacion

sobre el dispositivo de control a partir de la realimentacion de informacion del sis-

tema remoto (figura 1.9). Si sus acciones de control no son adecuadas los resultados

pueden ser desastrosos.

Figura 1.9: El operador como controlador del sistema de teleoperacion, [7]

1.2.5.1. Caracterısticas Dinamicas del Operador

Dentro de las definiciones que se tienen para describir como se comporta un opera-

dor desde el punto de vista de control manual son variadas, ((el operador humano

actua como un controlador adaptativo y robusto)), ((el operador humano en un

sistema hombre-maquina es el arquetipo de un controlador de toma de decisiones

jerarquico, adaptativo y optimizador)) y ((el operador humano es un controlador

adaptativo que aprende de la experiencia)), entre otras.

Antecedentes 16

Frente al conjunto de estımulos externos el operador humano presenta dos limi-

taciones principales. En primer lugar, su capacidad de atencion es limitada, y

si existen diversos estımulos simultaneamente debera compartir la atencion entre

todos ellos. Por otro lado requiere de un tiempo para la toma de decisiones.

Desde que se produce el hecho relevante hasta que el cerebro envıa la correspon-

diente orden al sistema neuro-muscular transcurre un tiempo, este tiempo, se debe

principalmente a la retroalimentacion visual y al procesamiento de la informacion.

Una vez que se ha tomado una decision y se ha generado una orden de movimiento

a los musculos se necesita un tiempo determinado para que la informacion llegue

al sistema neuro-muscular, y por otro lado, este sistema tiene su propia dinamica

de respuesta.

Los seres humanos pueden variar algunas caracterısticas de funcionamiento del

sistema neuro-muscular junto con su realimentacion propioceptiva; se pueden va-

riar las caracterısticas dinamicas del brazo y del codo, como la rigidez, inercia y

el amortiguamiento, aunque los cambios que se pueden realizar en la inercia son

mınimos, la rigidez y el amortiguamiento estan correlacionados.

Es importante destacar el diferente ancho de banda en la actuacion y la sensacion

del ser humano; mientras la actuacion ronda los 5-10Hz, la sensacion esta por

encima de los 20-30Hz hasta llegar a los 100Hz para realimentaciones cinestesicas.

Como consecuencia de los retrasos en las distintas transmisiones y respuestas de

los componentes, el ancho de banda de respuesta en el control manual ante senales

de referencia aleatorias de fuerza y posicion no llega a los 2Hz.

Ademas de los elementos sensomotrices los humanos poseen en la mano unos senso-

res exteroceptivos, denominados mecano-receptores cutaneos, que permiten reco-

ger informacion tactil del entorno (tabla 1.1). Mediante estos se detectan estımulos

hasta los 300Hz e incluso se pueden detectar vibraciones por encima de 1KHz en

frecuencia y por debajo de 1µm en amplitud.

En cuanto a la resolucion diversos estudios han confirmado que se pueden discernir

variaciones de 2o en las articulaciones de los dedos, munecas y codos, llegando hasta

0.8o en el hombro. Por otro lado la distancia mınima entre 2 estımulos tactiles en

los dedos que permite distinguirlos es de alrededor 2.5mm mientras que en la palma

de la mano es de 11mm y en los muslos de 67mm.

Antecedentes 17

Tabla 1.1: Caracterısticas de los mecano-receptores cutaneos

El operador posee dos canales para el reconocimiento del entorno en forma de dos

senales de caracterısticas distintas: una de baja frecuencia y alta energıa que es

medida por musculos y demas elementos del brazo, que sirve para la coordinacion;

y una segunda de alta frecuencia y baja energıa que es medida por elementos sen-

soriales de la piel y que transmite informacion de alta calidad sobre el entorno.

La tabla 1.2 resume de forma general las caracterısticas que debe tener un siste-

ma teleoperado tomando en cuenta las caracterısticas senso-motrices de los seres

humanos.

Tabla 1.2: Caracterısticas necesarias de un sistema teleoperado derivadas delas caracterısticas senso-motrices de los seres humanos, [7]

1.2.6. Control

Un sistema de teleoperacion se puede definir de forma simple como un sistema en

el que un operador humano controla un dispositivo remotamente. El concepto de

control es, por tanto, intrınseco a la teleoperacion, pero desde el punto de vista de

Antecedentes 18

una relacion operador-dispositivo, y no tanto de la perspectiva de control dinami-

co de este ultimo. Se presentan en orden creciente de complejidad los conceptos

principales de control en teleoperacion:

Control unilateral.

Control independiente y control integrado.

Control en posicion y velocidad.

Control por reflexion de fuerzas.

Control bilateral.

Control de sistemas con retardo temporal.

1.2.6.1. Control Unilateral

En los primeros desarrollos de sistemas teleoperados maestro-esclavo el control

implementado era unilateral tambien llamado de bucle abierto. En este tipo de

sistema no existe ninguna senal de retroalimentacion desde el esclavo hacia el

maestro. Unicamente se puede realizar un control en un sentido, es decir, que el

manipulador esclavo se mueve al mover el maestro pero no a la inversa.

Dentro del control unilateral se pueden destacar diversas formas de realizar el

control segun como y cuales son las senales que se generan en el maestro.

1.2.6.2. Control independiente y control integrado

El control independiente o por interrupciones se realiza con dispositivos maestros

en los que al mismo tiempo unicamente se pueden generar referencias o mandar

senales de control, normalmente del tipo todo o nada en velocidad. Por otro lado

el control integrado, existe un dispositivo maestro que genera todas las senales

de referencia de uso simultaneo en todos los bucles de control del esclavo (figura

1.10).

Antecedentes 19

Figura 1.10: Esquema general de control unilateral, [7]

1.2.6.3. Control en posicion y velocidad

En el control integrado es posible realizar dos tipos de control distintos en funcion

de como se utilice las senales de salida. Si estas senales se utilizan como referencias

de posicion para los GDL, se habla de control en posicion; si en cambio se utilizan

como referencias de velocidad, se habla de control en velocidad. El control de

posicion es mas util que el control en posicion en cuanto la los tiempos de ejecucion,

la fuerza media ejercida sobre el entorno o la valoracion de los operadores sobre

su comodidad de operacion.

1.2.6.4. Control por reflexion de fuerzas

La conveniencia de transmitir al operador los esfuerzos de contacto que el manipu-

lador esclavo realiza en el entorno remoto. Tengase en cuenta de que se esta hablan-

do de reflexion y no de realimentacion, que serıa un caso particular de reflexion.

La reflexion de esfuerzos puede ser realizada de diferentes formas, siendo la mas

frecuente la reflexion visual y la realimentacion haptica, tambien se tienen reflexion

mediante sonidos y tactil, [11].

Reflexion Visual de Fuerzas

Se realiza presentando estas de manera visual al operador mediante un visualiza-

dor. El grafico incluye tanto las fuerzas ejercidas por el operador en cada uno de

los ejes como sus respectivos momentos.

Antecedentes 20

1.3. Haptica

La haptica, aunque no sea una palabra aceptada en la Real Academia de la Lengua

Espanola, hace referencia al sentido del tacto, teniendo su origen en el termino

griego ((Hapthai)) relativo al tacto. Es muy utilizado en el area tecnologica, a

continuacion se explican mas a fondo algunos de los terminos usados en el presente

trabajo.

1.3.1. Definiciones

Retroalimentacion haptica, es la realimentacion de la sensacion de contacto. Es-

te termino engloba dos conceptos sumamente importantes que no se deben de

confundir, son la realimentacion tactil y la realimentacion de fuerzas.

Es por eso que los dispositivos capaces de realimentar al operador sensaciones

tactiles y de fuerza se les denomine interfaces hapticas, incluso cuando algunos

autores utilicen este termino unicamente para la realimentacion tactil.

La retroalimentacion tactil se refiere a la sensacion de contacto aplicada a la piel.

Es medida por los receptores colocados cerca de la piel, los cuales poseen un gran

ancho de banda que va de los 50 a los 350 Hz, permitiendo detectar el primer

contacto con el entrono, conocer la geometrıa de la superficie, su rugosidad y su

temperatura.

La retroalimentacion de fuerzas tambien conocida como cinestesica es la realimen-

tacion de la sensacion de una resistencia al avance o un peso que hace referencia a

la excitacion de los sensores colocados en los musculos y tendones, unidos a huesos

y articulaciones, y que transmiten a la espina dorsal y al cerebro las tensiones y

fuerzas que se producen durante el movimiento, ya sean inerciales o de contacto.

Se trata de receptores con poco ancho de banda que proporcionan informacion

sobre la fuerza total de contacto, ası como el peso y deformabilidad de un objeto.

No debe de haber confusion, la retroalimentacion tactil aparece unicamente duran-

te el contacto, mientras que la realimentacion de fuerzas puede darse sin contacto,

pues estas pueden deberse a un peso o a fuerzas inerciales. Ademas, la realimen-

tacion de fuerzas se opone activamente al movimiento libre de la mano o el brazo,

mientras que la realimentacion tactil es del todo pasiva.

Antecedentes 21

Por otro lado, la propiocepcion es la capacidad de conocer la disposicion estatica

de cada uno de sus miembros. Hace referencia a la sensacion de posicion estatica.

Esta capacidad esta basada en los receptores localizados en las articulaciones del

esqueleto, en el oıdo y en impulsos generados por el sistema nervioso central.

En un sistema de teleoperacion, si se considera que el manipulador esclavo es un

miembro del operador, la capacidad con que el sistema dote al operador para que

este sepa en cada momento donde se encuentra el manipulador remoto con respecto

al entorno y a su punto de vista, dotara al operador de telepropiocepcion.

La union de estos terminos nos da como resultado la generacion de otros nuevos

como lo son la telepresencia y la realidad aumentada. La telepresencia hace refe-

rencia a la situacion o circunstancia que se da cuando un humano tiene la sensacion

de encontrarse fısicamente en un lugar remoto. Esta se consigue proporcionando

coherentemente al ser humano suficiente cantidad de informacion sobre el entorno

remoto, para lo cual nos servirıa la telepropiocepcion ası como la retroalimenta-

cion haptica, retroalimentacion visual auditiva, entre otras. El objetivo de esta

tecnologıa es hacer sentir al operador lo que sentirıa si estuviera en el ambiente

remoto. Sin embargo no podemos confundir este concepto con la realidad virtual.

En el caso de la teleoperacion la manera mas basica de conseguir algo de telepre-

sencia es contar con camaras de video en la zona remota (realimentacion visual).

Si, ademas, se puede realimentar hapticamente o auditivamente al operador con

los sucesos que ocurren durante el transcurso de la tarea, se tendra un mayor grado

de telepresencia.

La realidad virtual es la situacion que se da cuando un ser humano tiene la sen-

sacion de encontrarse en un lugar distinto de done fısicamente esta, esto, gracias

a la informacion generada exclusivamente por un computador. El entorno que se

genera, y en el que el operador se encuentra inmerso se denomina entorno virtual

o ambiente virtual, y la situacion de estar en el se conoce como presencia virtual.

Hoy en dıa, la telepresencia y la realidad virtual se empiezan en mezclarse, dan-

do origen a lo que se conoce como realidad aumentada, que es la situacion o

circunstancia que percibe un operador cuando la informacion sensorial que le es

realimentada de un entorno es modificada previamente por una computadora con

el objetivo de anadirle nueva informacion creada artificialmente, y que no es ac-

cesible directamente por los sentidos del operador, aun si este se encontrase en el

ambiente remoto.

Antecedentes 22

En esta realidad aumentada se puede incluir la superposicion de graficos sobre

imagenes de video o la generacion de superficies de contacto virtuales para la

proteccion de equipos.

Todas estas tecnologıas pretenden emular la naturaleza sin conseguir nunca la per-

feccion. Uno de los principales problemas para esto es la imposibilidad de alcanzar

la continuidad de estos fenomenos naturales utilizando los sistemas discretos en los

que se basa toda la tecnologıa digital actual. Lo que nos obliga a buscar metodos

para tratar de compensar las carencias tecnologicas.

Los dispositivos hapticos requieren de una arquitectura de control basada en soft-

ware que nos lleva al problema de la discretizacion. Para tratar este problema

debemos de saber que la frecuencia mınima necesaria para crear una sensacion

de tacto continuo es de 1 KHz aproximadamente. Las frecuencias inferiores son

tambien utiles, ya que permiten simular efectos de superficie, como las texturas o

la friccion.

1.3.2. Representacion Haptica

Cuando hablamos de haptica es comun encontrarnos con el termino ((Haptic Ren-

der)) o representacion haptica. Este es el proceso de determinar la fuerza de reaccion

para una determinada posicion del dispositivo. Consiste en el diseno del software

que realiza las siguientes tareas:

Leer la posicion y orientacion del dispositivo

Calcular la interaccion del dispositivo con el mundo virtual en funcion de los

datos leıdos.

Devolver la sensacion haptica como consecuencia de la reaccion ante esta

interaccion.

1.3.2.1. Tipos de Representacion Haptica

Existen diversos casos para la representacion haptica los cuales se mencionaran a

continuacion:

Representacion haptica puntual

Antecedentes 23

Podrıa decirse que es la forma mas sencilla, considera que el dispositivo haptico

representa un punto en el entorno virtual, denominado Punto de Interfaz Haptica

o HIP por sus siglas en ingles (Haptic Interface Point). Para este caso, lo unico

que nos interesa es la posicion del dispositivo, no su orientacion.

Sin embargo este tipo de representacion presenta problemas debido a la discreti-

zacion. Al no poder mostrar de forma continua la posicion, existe la posibilidad

de que entre dos muestreos consecutivos el HIP haya podido penetrar en algun

objeto del mundo virtual.

Representacion haptica puntual con Proxy

Para evitar algunos problemas con la representacion puntual, aparece el concepto

Proxy, tambien conocido como punto de contacto de superficie o SCP (Surface

Contact Point). Este es un punto que sigue la restriccion de mantenerse siempre

en el exterior de los objetos del entorno virtual. Con esto el SCP seguira la posi-

cion del HIP mientras no ocurran colisiones, pero ambos se separaran cuando el

HIP penetre algun objeto. Gracias a esto ya es posible calcular las fuerzas que se

aplicarıan al dispositivo para contrarrestar la separacion entre el HIP y el SCP.

Deteccion de Colisiones Continuas

La solucion definitiva a estos problemas no es facil de implementar, consiste en

anadir una dimension mas a nuestro muestreo de la posicion del dispositivo hapti-

co, que serıa el tiempo. Para ello tenemos que estimar el recorrido que ha seguido

el dispositivo final entre dos muestras consecutivas, por lo que sera necesario in-

terpolar. Con esto el HIP se ha pasado a ser de un punto a un segmento, que une

la posicion actual del dispositivo con la posicion previa.

Detectando ahora las colisiones entre los objetos del entorno virtual y nuestro

segmento, podemos saber exactamente cuando se ha penetrado o atravesado un

objeto y determinar con precision el punto en que se produjo la colision. A este

punto que se le denomina HIP ideal o IHIP (Ideal Hip) es nuestro Proxy, que

estara siempre restringido a la superficie de los objetos virtuales.

Representacion haptica no puntual

En muchas ocasiones no es suficiente simplificar la posicion del dispositivo haptico

mediante un punto o segmento, teniendo que considerar no solo la posicion sino

Antecedentes 24

la orientacion. Para este tipo de aplicaciones se hace imprescindible el uso de seis

GDL en el dispositivo haptico.

1.4. LabView

LabView R©, de la empresa “National Instruments”, por sus siglas en ingles, “La-

boratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench”, es una plataforma y

entorno de desarrollo para el desarrollo de sistemas, hace uso de un lenguaje de

programacion visual grafico. Es utilizado como base para sistemas de hardware y

software en pruebas de control y diseno, simulado o real y embebido, pues esta pen-

sado para aumentar la productividad y desempeno de personas especializadas en

diversas areas de la ingenierıa al momento de realizar aplicaciones computacio-

nales. LabView es lanzado oficialmente en 1986 como una solucion al problema

de hardware , especıficamente al control de sistemas de instrumentacion, teniendo

como uno de sus lemas “La potencia esta en el Software”.

Entre las principales caracterısticas del software LabView encontramos las siguien-

tes:

Manejo de multiples interfaces de comunicacion, como son: Puerto serie,

puerto paralelo, GPIB, PXI, TCP/IP, UDP, DataSocket, Irda, Bluetooth,

USB, entre otros.

Capacidad de interaccion con otros lenguajes y aplicaciones: DLL (Bibliote-

cas de enlace dinamico), .net, ActiveX, Matlab/Simulink, AutoCAD, Solid-

Works, entre otros.

Posee herramientas graficas y textuales para el procesado digital de senales.

Visualizacion y manejo de graficas con datos dinamicos.

Adquisicion y tratamiento de imagenes.

Programacion de FPGAs para control o validacion.

Sincronizacion entre dispositivos.

En la figura 1.11 se puede observar un ıcono de LabView del panel frontal o de

usuario y su representacion en diagrama de bloques.

Antecedentes 25

Figura 1.11: Diagrama de bloques y de usuario en LabView

Una aplicacion de computadora realizada mediante LabView cuenta de dos partes

principalmente:

Panel frontal: es la interfaz de usuario, es decir es la parte visual e interac-

tiva que es visible para el usuario mientras la aploicacion esta en ejecucion.

Los usuarios podran observar los datos del programa actualizados mediante

indicadores de diferentes tipos, ası mismo el panel frontal permite la entrada

de datos por parte del usuario.

Diagrama de bloques: es el programa propiamente dicho, en este, se define la

funcionalidad mediante la colocacion de ıconos o sımbolos que representan

diferentes acciones, los cuales a su vez se interconectan entre si para tener

una salida deseada.

Capıtulo 2

Estado del Arte

La robotica aerea es un campo de rapido crecimiento en robotica y aeronaves

multirotor. De hecho los cuadrotores, en cuanto a control de robots se refiere, se han

convertido en una plataforma para desarrollo e investigacion a nivel mundial [12].

Actualmente existen varios laboratorios especializados en cuadrotores en diferentes

universidades al rededor del mundo, los cuales se especializan en diferentes areas

o tipos de control para estas aeronaves. Dentro de los laboratorios mas destacados

a nivel mundial podemos encontrar los soguientes:

GRASP1 de la universidad de Pennsylvania en los Estados Unidos de Ameri-

ca, este laboratorio se especializa en algoritmos de control robustos para

maniobras agresivas para cuadrotores [13].

FMA2 de la ETH3 de Zurich, este laboratiorio se especializa en tareas de

control con sistemas multiagente, es decir con cuadrotores cooperativos [14].

ACL4 del MIT5, laboratorio especializado en sistemas de control para segui-

miento de trayectorias con cuadrotores capaces de variar la configuracion de

sus propelas y generar empujes negativos [15].

Laboratiorio de robotica y UAVs de la UTC6 en Francia, dirigida por el

Dr. Rogelio Lozano egresado del IPN, este laboratorio es de los pioneros

1General Robotics, Automation, Sensing and Perception2The Flying Machine Arena3Eidenossische Technische Hochschule4Aerospace Controls Laboratory5Massachusetts Institute of Technology6Universite de Technologie de Compiegne

26

Estado del Arte 27

en trabajar con cuadrotores y se especializan en algoritmos de control para

pruebas en cuadrotores [16].

Laboratorio RONIHM7 del CINVESTAV8 del IPN, este laboratorio se espe-

cializa en algoritomos de control de orientacion y posicion para cuadrotores

y en algoritmos de control para tareas cooperativas con cuadrotores [17].

Parte de los trabajos analizados, que conllevan el uso de las mismas que tecnologıas

que en este trabajo se presentan son mostrados a continuacion con una breve

descripcion de los mismos y el aporte de estos.

2.1. A Passivity-Based Decentralized Approach

for the Bilateral Teleoperation of a Group

of UAVs with Switching Topology [18]

Un enfoque descentralizado basado en Pasividad para la teleoperacion

bilateral de un Grupo de vehıculos aereos no tripulados con conmuta-

cion de topologıa

En ese artıculo se presenta una nueva estrategia de control distribuida para tele-

operar una flota de UAVs, Se Utilizan tecnicas de control basadas en pasividad,

permiten que el comportamiento de los UAVs sea lo mas flexible posible y que

estos tomen decisiones de unir o dividir la flotilla garantizando siempre la estabi-

lidad del sistema. Por otra parte, el sistema global de teleoperacion esta disenado

tambien de forma pasiva, por lo tanto, se caracteriza por tener un comportamiento

estable tanto en movimiento libre como en la interaccion con obstaculos pasivos

desconocidos.

El sistema que proponen es validado a traves de semi-experimentos. Cabe mencio-

nar que los avances en teleoperacion de cuadrotores mostrados en este arıculo no

presentan avances sobre retroalimentacion cinestesica ni de ningun otro tipo.

7Robotica no Inercial e Interfaces Hombre-Maquina8Centro de Investigacion y de Estudios Avanzados

Estado del Arte 28

2.2. Experiments of Passivity-Based Bilateral

Aerial Teleoperation of a Group of UAVs

with Decentralized Velocity Synchroniza-

tion [19]

Experimentos basados en pasividad bilateral de teleoperacion aerea de

un grupo de vehıculos aereos no tripulados con velocidad de sincroni-

zacion descentralizada

En este trabajo se realiza la validacion experimental de la estrategia de control

basada en pasividad para la teloperacion de un grupo de UAVs presentada en el

artıculo anterior, aunque, en este trabajo ya se presenta informacion acerca de la

teleoperacion bilateral, es decir, se incluye retroalimentacion haptica en el control

del grupo de aeronaves. Como se ha mencionado anteriormente en este escrito, un

sistema de teleoperacion bilateral cuenta con un maestro y un esclavo, en elartıculo

aquı analizado, el esclavo, que es el grupo de aeronaves, goza de un autonomıa

propia de un grupo de aeronaves, las cuales permiten la evacion de obstaculos

paraası evitar colisiones. Por otra parte, el lado del maestro, representado por un

operador humano, controla el movimiento del grupo de aeronaves y recibe fuerza de

las senales de retroalimentacion que le informan el estado del movimiento remoto

del esclavo.

Cabe mencionar que este artıculo es de gran relevancia para el trabajo que se

esta realizando, esto debido a la propuesta de control que se comprueba ya que

se cuenta con un control basado en pasividad inmerso en el subsistema esclavo, el

cual, permite que este sistema cuente con la estabilidad propia de un sistema de

cuadrotores pero a su vez permite la interaccion con un operador, introduciendo

informacion para el pilotaje de las aeronaves y proporcionando informacion del

estado del grupo para su representacion en un dispositivo haptico. Los descrito

anteriormente puede apreciarse en la figura 2.1, la cual, muestra los componentes

del sistema descrito en este artıculo.

Estado del Arte 29

Figura 2.1: Elementos del sistema del artıculo, [19], a) Sistema real, 4 cua-drotores, el lider es teleoperado, b) Mando de retroalimentacion haptica para el

usuario, c) Sistema virtual

2.3. Haptic Teleoperation of Multiple Unman-

ned Aerial Vehicles over the Internet [20]

Teleoperacion haptica de multiples vehıculos aereos no tripulados a

traves de Internet

En este artıculo se presente un nuevo esquema de control para la teleoperacion

haptica de multiples vehıculos aereos a traves de internet, este esquema consiste

principalmente en tres leyes de control: 1) La capa de control para el UAV, donde

cada UAVes controlado par seguir una trayectoria basada en la cinematica de su

punto de representacion virtual (virtual point, VP por sus siglas en ingles), 2)

Capa de control del punto virtual o VP, donde se modula la posicion de cada

Estado del Arte 30

punto virtual de acuerdo con los comandos de teleoperacion y el uso de algunos

elementos y herramientas de ayuda como son campos potenciales artificiales, de

repulsion todos ellos en este caso, los cuales evitan que las aeronaves se acerquen

demasiado entre si ası como evitar que se acerquen demasiado a los obstaculos

que se puedan presentar, y por ultimo 3) La capa de teleoperacion, a traves de la

cual se puede mandar al usuario retroalimentacion de la velocidad de los UAVs

o su cercanıa con obstaculos o metas, todo lo anterior a traves de internet. Una

vez mas, cabe mencionar que los resultados obtenidos en este trabajo provienen de

semi-experimentos, es decir, todas las pruebas son mediante simulacion (figura 2.2.

Figura 2.2: UAVs en ambiente de simulacion 3D y mando haptico, [20]

2.4. An Evaluation of Haptic Cues on the Tele-

Operator’s Perceptual Awareness of Mul-

tiple UAVs’ Environments [21]

Evaluacion de senales hapticas de la percepcion del teleoperador de

ambientes de multiples vehıculos aereos no tripulados

En este artıculo se presenta una extencion de las investigaciones hechas anterior-

mente mediante la investigacion y analisis del rendimiento de los controladores y

como este podrıa mejorarse con senales de retroalimentacion haptica para el ope-

rador. Presentan 3 disenos de senales de retroalimentacion haptica que ayudan a

Estado del Arte 31

mejorar la percepcion ambiental del operados en el ambiente remoto. Los 3 disenos

se basan en a) informacion de la velocidad de los vehıculos, b) datos de proximidad

a los obstaculos y c) una combinacion de las dos anteriores. Por ultimo, se vali-

dan estas propuestas mediante un experimentacion, esto, mediante la evaluacion

de la sensibilidad percibida por el operador respecto al entorno remoto donde se

encuentran los UAVs. Finalmente, llegan a la conclusion de que la teleoperacion

se mejora mediante el uso de dispositivos hapticos. Todos los experimentos en este

artıculo llegan a nivel simulacion, (figura 2.3).

Figura 2.3: Experimento, Interfaz grafica de Usuario o GUI, por sus siglas eningles y mando haptico Omega, [21]

2.5. Shared Control; Balancing Autonomy and

Human Assistance with a Group of Qua-

drotor UAVs [22]

Control compartido; balanceando autonomıa y asistenciahumana con

un grupo de vehıculos aereos cuadrotores

En el ultimo trabajo se puede observar como es que se han dado los avances en

materia de teleoperacion de UAVs, ya seaen grupo o de manera individual, se

Estado del Arte 32

puede apreciar mediante los graficos presentados que ya se tiene una idea conci-

sa de la manera en la que se tienen que integrar los componentes de un sistema

de teleoperacion haptica de cuadrotores. Para empezar, se argumenta que toda

aeronave tiene un control propio, el cual, garantizala estabilidad del mismo UAV

ası como su teleoperacion, ademas se plantea un lazo de control con el sistema de

teleoperacion y por ultimo se plantea un lazo de control con el mando haptico,

ademas de las partes anteriores, en los casos en los que se teleoperan grupos de

UAVs, se tiene conocimiento de la posicion de cada una de las aeronaves, de esta

manera se pueden establecer formaciones entre ellas, para ası, facilitar la teleope-

racion de todas tomando un solo cuadrotor como pivote o esclavo y que las demas

actuen de acuerdo a la trayectoria de este. En este artıculo ademas se llevan a cabo

experimentos en ambientes de simulacion y en sistemas de cuadrotores reales en

espacios controlados. En la figura 2.4 se puede observar un esquema completo de

la arquitectura del sistema de teleoperacion haptca, tomando en cuenta el sistema

de control bilaterial y el control de las aeronaves, este ultimo embebido en cada

una, para dotarlade ası, decierto nivel de autonomıa y estabilidad.

Tomando en cuenta el conocimiento adquirido en el desarrollo del presentecapıtulo,

especıficamos los requerimientos y partes del sistema como sigue: El prototipo debe

contar con lo siguiente:

Dispositivo o mando haptico, este sera el metodo de entrada de informa-

cion desde el usuario para controlar la posicion de la aeronave, ası mismo

sera la salida de informacion del sistema hacia el usuario para mejorarle la

percepcion del entorno teleoperado.

Aeronave cuadrotor, las caracterısticas principales de la aeronave teleoperada

o esclavo seran dos, a) el cuadrotor contara con un controlador propio, el cual,

debe garantizar la estabilidad del vuelo de este y que a su vez le permita ser

controlado en posicion mediante un control remoto; b) que la aeronave sea

capaz de enviar informacion al usuario de sus caracterısticas de vuelo como

lo son: velocidad, inclinacion, aceleracion y, de ser posible, video.

De los trabajos analizados en esta seccion se pueden resaltar algunos que incluyen

retroalimentacion haptica en la teleoperacion de aeronaves, aunque, solo uno de

estos lo hace sobre sistemas reales y no solo en simulaciones virtuales.

Estado del Arte 33

Figura 2.4: Arquitectura general del sistema, visto para un numero n de UAVs.[22]

Estado del Arte 34

2.6. Motivacion

Actualmente no se han reportado resultados significativos de la comunidad cientıfi-

ca mundial respecto a las ventajas o desventajas, ası como las caracterısticas de un

sistema de teleoperacion de robots aereos que involucre retroalimentacion haptica.

2.7. Objetivo General

Disenar e implementar un sistema de teleoperacion haptica de posicion para un

cuadrotor estable en el dominio del tiempo.

2.8. Objetivos Especıficos

Utilizacion del dispositivo haptico.

Modelado del cuadrotor.

Sensado de fuerzas en el cuadrotor.

Implementacion del sistema de control en el dispositivo haptico.

Interfaz de control del sistema.

Implementacion del control bilateral.

Simulacion del sistema.

Pruebas sobre el sistema real en ambiente controlado.

Pruebas sobre el sistema real en ambiente no controlado.

Capıtulo 3

Cuadrotor, Modelado Dinamico y

Simulacion

El presente capıtulo se describe el funcionamiento de un cuadrotor y se muestra el

modelado dinamico del cuadrotor, es decir, las ecuaciones matematicas que deter-

minan el estado del sistema y que toman en cuenta las variables independientes

que lo describen. Se presenta tambien un analisis del modelo y una simulacion del

mismo.

Figura 3.1: Cuadrotor Arducopter R© de la empresa 3DRobotics R©, el cual esun proyecto open surce

35

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 36

3.1. Cuadrotor

Un cuadrotor es una aeronave de ala rotativa, cuenta con cuatro rotores inde-

pendientes montados en los extremos de una cruceta, cada rotor o motor tiene

acoplado a su vez una propela, la cual al girar, genera un empuje o desplaza-

miento de aire con el cual la aeronave puede elevarse, en la figura 3.1 puede verse

un cuadrotor. A continuacion se tratarra de describir el funcionamiento de una

cuadrotor de la manera mas simple posible.

Debido a su construccion y a su autonomıa, un cuadrotor es considerado como un

robot movil aereo subactuado, esto debido a que cuenta con 6 GDL, 3 de posicion

y 3 de orientacion, pero solo cuenta con 4 entradas de control, es decir, para hacer

que la aeronave vuele solo podemos controlar las velocidades de los 4 rotores, por

lo tanto es considerado como un robot subactuado. El control de los 6 GDL se

logra con 3 movimientos inducidos en la aeronave: 1) Alabeo (Roll), 2) Cabeceo

(Pitch) y 3) Guinada (Yaw), en la imagen 3.2 se pueden ver los movimientos que

de Roll, Pitch y Yaw y se describe como es que estos se producen.

Figura 3.2: a) Yaw (sentido antihorario), b) Yaw (sentido horario), c) Despe-gue (Take off), d) Roll (sentido horario), e) Pitch (sentido antihorario), f) Pitch

(sentido horario), g) Aterrizaje (Land), h) Roll (sentido antihorario)

En la imagen 3.2 se expesa mediante flechas el sentido de giro de los rotores, si la

flecha es negra el sentido es antihorario, si la flecha es blanca el sentido es horario;

ademas de esto, se expresa mediante flechas grandes o pequenas la velocidad de

giro de los rotores, ya sea alta o baja respectivamente. De esta manera se sobre

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 37

entiende que en la figura anterior, en el inciso c la velocidad de los 4 rotores es

alta e igual para todos, por lo que la aeronave tendrıa un empuje igual en cada

rotor y podrıa despegar o elevarse.

Ademas de lo descrito anteriormente, cabe mencionar que hay dos configuraciones

usuales para un cuadrotor, de tipo + y tipo x. Para ambas configuraciones se

utiliza la notacion anterior para modificar la orientacion , diferenciando solamente

el frente de la aeronave y el como se modifica su posicion, ya que cuando esta en

configuracion x utiliza la fuerza de 2 rotores a la vez para trasladarse en el plano

xy. En la imagen 3.3 pueden observarse las dos configuraciones.

Figura 3.3: En la izquierda configuracion +, en la derecha configuracion x, elbloque con punta del centro representa el frentede la aeronave

Se mencionara a continuacion el modelo matematico de la aeronave.

3.2. Modelado

Figura 3.4: Sistema del cuadrotor, fi representa el empuje del motor, Mi y Tes el empuje principal, [23]

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 38

El modelo dinamico de un cuadrotor es obtenido mediante la representacion de la

aeronave como un cuerpo rıgido en 3D y sujeta a una fuerza y tres momentos [23].

Se considera el marco coordenado fijo tierra I = ex, ey, ez y el amrco del cuerpo A

= ecx,ecy,e

cz, como puede apreciarse en la figura 3.4. Se asume que el centro de masa

del cuarpo del cuadrotor y el marco coordenado de este coinciden. La orientacion

del cuerpo rıgido esta dada por la rotacion R : A → I, donde R ∈ SO(3) es una

matriz de rotacion ortogonal (es una matriz cuadrada cuya matriz inversa coincide

con su matriz traspuesta).

Las ecuaciones del modelado de Newton-Euler (estas describen la dinamica rota-

cional y traslacional combinadas de un cuerpo rıgido) se describen de la siguiente

manera:

mξ = −T Rex + F (t) (3.1)

R = R[Ω×] (3.2)

J Ω = −Ω× JΩ + r + d(t) (3.3)

donde:

ξ = (x, y, z)T denota la posicion del centro de masa de la aeronave en el

marco coordenado I relativo fijado al origen.

Ω = (Ω1,Ω2,Ω3)T ∈ A denota la velocidad angular del cuadrotor expresada

en el marco del mismo.

m denota la masa del cuerpo rıgido que representa a la aeronave

J ∈ R3×3 denota la matriz de inercia alrededor del centro de masa.

[Ω×] denota la matriz antisimetrica del vector Ω.

T ∈ R+ representa la magnitud de las principales fuerzas no conservativas

aplicadas al cuerpo.

F (t) expresa las fuerzas externas aplicadas al vehıculo, F (t) = mgez.

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 39

T ∈ A es el par de control.

d(t) ∈ R3 representa el par externo de las perturbaciones inducidas por F (t).

3.3. Simulacion del Modelo

Para lograr un mejor entendimiento del modelo al que se llega, se realiza una

simulacion dinamica en MatLab. La simulacion se realiza mediante Simulink y

para el caso de esta se le provee de un momento en el eje y. El diagrama de

bloques queda como se muestra en la figura 3.5.

Figura 3.5: Diagrama de bloques del modelo matematico del cuadrotor parasu simulacion.

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 40

El resultado de la simulacion del modelo dinamico al cual se le provee de un

momento en el eje y y que a su vez genera un desplazamiento sobre el plano x

y una variacion de altura con respecto al eje z puede apreciarse en la figura 3.6.

Se induce un momento positivo en el eje y y debido a esto se puede apreciar un

desplazamiento sobre el eje x y sobre el eje z.

a) Eje x b) Eje y c) Eje z

Figura 3.6: Comportamiento del centro de masa del cuadrotor con respectoal marco coordenado, se induce un momento en el eje de giro x.

Un ejemplo mas de la anterior simulacion se aprecia para el caso de inducir un

momento en los ejes x y y como bien puede apreciarse en la figura 3.7.

a) Eje x b) Eje y c) Eje z

Figura 3.7: Comportamiento del centro de masa del cuadrotor con respectoal marco coordenado, se inducen dos momentos en el eje x y en y.

En el ultimo ejemplo, mostrado en la figura 3.8, se induce un momento en el eje z

y uno de la mitad de la magnitud en el eje y.

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 41

a) Eje x b) Eje y c) Eje z

Figura 3.8: Comportamiento del centro de masa del cuadrotor con respectoal marco coordenado, se inducen dos momentos en el eje y y en z.

3.4. La plataforma AR.Drone de Parrot

En el ano 2004, la companıa Parrot R© comenzo con el proyecto llamado AR.Drone R©

con el objetivo de crear un micro UAV para el mercado masivo de videojueagos

y entretenimiento engeneral. El proyecto se presento publicamente en el Show de

consumo electronico, CES por sus siglas en ingles, en el ano 2010 y el 18 de agosto

del mismo ano, el AR.Drone fue lanzado al mercado. Una de sus principales carac-

terısticas es ser una plataforma aerea estable, controlada remotamente mediante

unainterfaz grafica amigable, la cual, se ejecutaen un dispositivo movil con sistema

operativo IOS o Android. El dispositivo se encuentra en el mercado a un precio

de $300.00 dolares estadounidenses. En el desarrollo de este trabajo se utilizo un

AR.Drone y a continuacion se hablara de la tecnologıa de control embebida en la

aeronave.

3.4.1. El Vehıculo Aereo

El AR.Drone esta basado en el clasico diseno del cuadrotor. Cuenta con 4 motores

brushless usados para mover las 4 propelas unidas a ellos. Juntos, constituyen al

generador de empuje variable. Cada motor esta montado en un base que hace

de pata para el dispositivo, esta base esta fabricada de plastico PA66, el cual

es altamente resistente, a su vez, cada base lleva consigo el circuito de control

del motor brushless (BLCB por sus siglas en ingles). Cada BLCB usa su propio

microcontrolador de 8 bits ATMega8L y un sistema corta corriente para apagar

el motor en el caso de que alguna propela choque contra un obstaculo. Los cuatro

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 42

Figura 3.9: Cuadrotor AR.Drone R© con su carcasa outdoor

generadores de empuje estan a su vez acoplados a una cruceta tubular de fibra

de carbon, la cual cuenta con un refuerzo central plastico hecho con Polipropileno

expandido (EPP, por sus siglas en ingles) que sirve como estructura para cargar

con la baterıa de polımero de litio (LiPo) en una canasta plastica. La baterıa de

3 celdas provee una tension electrica de 11.1V y 1000mAh de corriente con un

factor de descarga de 15c, la baterıa 80g. Con carga completa, la baterıa es capaz

de proveer energıa al cuadrotor por un periode que va de 10 a 15 minutos para el

vuelo. La canasta se encuentra encima de una espuma, la cual a su vez esta encima

del refuerzo plastico de EPP, este ensamblado sirve para filtrar las vibraciones de

los motores. El cuadrotor tiene dos carcasas distintas, una para interiores (indoor),

la cual tiene una estructura circular alrededor de cada propela para protegerlas y

evitar al mismo tiempo de danar algo dentro de una habitacion, ademas cuenta

con la carcasa para exteriores (outdoor) la cual no es mas que una cubierta para

la baterıa, ver imagen 3.9.

3.4.1.1. Electronica de abordo

La electronica bordo consiste en 2 tarjetas unidas mediante tornillos a la canasta

de plastico. La primera es la tarjeta madre que esta conectada a la segunda que

es la tarjeta de navegacion.

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 43

Tarjeta principal: contiene un procesador Parrot P6 (procesador de 32 bits

tipo ARM, trabaja a 468MHz), chip Wi-Fi, una camara orientada vertical-

mente y un conector para la camara frontal.

Un sistema operativo Linux de tiempo real y todos los calculos se hacen en

el procesador P6. Ademas el procesador carga con los datos adquiridos por

las dos camaras de video. La camara frontal cuenta con una resolucion VGA

(640x480 pixeles), senal que trabaja a una frecuencia de 15 cuadros por se-

gundo. La camara vertical es utilizada en los algoritmos de navegacion para

calcular la velocidad del vehıculo y trabaja a una frecuencia de 60 cuadros

por segundo. Ambas camaras pueden utilizarse para desempenar funciones

de reconocimiento de patrones para su uso en videojuegos. Un puerto mini-

USB es incluido para efectos de actualizacion del software o para conexion

de aditamentos como GPS, un proyector laser, entre otros.

Tarjeta de Navegacion: utiliza un microcontrolador PIC de 16 bits trabajan-

do a 40 MHz y sirve como interfaz con los sensores. Estos sensores son: un

acelerometro de 3 ejes, un giroscopo de 2 ejes, un giroscopo vertical de un

eje y 2 sensores ultrasonicos.

Los sensores ultrasonicos utilizados para la estimacion de la altura son de

marca Powerwave. El microcontrolador PIC meneja los sensores y digitaliza

la senal del receptor ultrasonico. Los sensores ultrasonicos trabajan a una

frecuencia de resonancia de 40 kHz y pueden medir distancias tan largas

como 6 metros a una frecuencia de 25 Hz.

Los acelerometros y giroscopos constituyen una unidad de medicion iner-

cial (IMU, por sus siglas en ingles) de bajo costo. El costo de la IMU es

de menos de $10 dolares estadounidenses. Un acelerometro Bosh BMA150

de 3 ejes y usado en conjunto con un convertidor analogico-digita (A/D) de

10 bits tienen una resolucion de +/- 2. El giroscopo de dos ejes el modelo

UDG500 de Invensense, contiene un sensor analogico y es digitalizado por

un microcontrolador PIC de 12 bits con convertidor A/D; puede medir a una

velocidad de variacion de 500 grados/segundo. En el eje vertical, un girosco-

po mas preciso fue considerado, es un Epson modelo XV3700, tiene funcion

de auto cero para minimizar la deriva. La IMU finciona a una frecuencia de

200 MHz.

Software embebido: el sistema operativo de tiempo real es una version per-

sonalizada de Linux. Simultaneamente maneja multiples hilos: comunicacion

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 44

Wi-Fi, muestreo de la informacion de las camaras, compresion de video para

su transmision inalambrica, procesamiento de imagenes, adquisicion de datos

de los sensores, estimacion de estados y control en lazo cerrado.

3.4.2. Arquitectura de control

La fusion de datos y la arquitectura de control consisten en varios bucles en los

que el piloto humano se ve envuelto. El piloto usa un dispositivo movil, a traves

de conexion Wi-Fi, para enviar remotamente ordenes de alto nivel, y, simultanea-

mente, visualiza la transmision de video que recibe del AR.Drone. Una imagen de

lo que el piloto visualiza en el dispositivo movil puede observarse en la figura 3.10.

Figura 3.10: Captura de pantalla de la interfaz grafica para el usuario

La arquitectura es ilustrada en la figura 3.11. Los interruptores entre los diferentes

modos (hovering1, flight2, take off 3, landing4, forward flight5) son manejados por

una maquina de estados finitos que a su vez sigue las ordenes del piloto. Este punto

es ilustrado en la figura 3.12. La maquina de estados finitos tiene funciones por

defecto, por ejemplo, cuando el usuario no toca la pantalla, el AR.Drone se pone en

modo hovering, dondelaaltura se mantieneconstante y la orientacion y velocidad

son estabilizadas a cero. Un click doble en la pantalla hace que la aeronave entre

en modo landing.

El lazo de control es realizado por dos lazos anidados, el lazo de control de orienta-

cion y el lazo de control de la velocidad angular. El primer lazo calcula la velocidad

1Permanecer inmovil2vuelo3Despegue4Aterrizaje5Vuelo recto

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 45

Figura 3.11: Fusion de datos y arquitectura de control, [24]

angular de la diferenciaentre el estimado de orientacion y el punto cero de orienta-

cion (cero en caso de hovering preestablecido por el usuario en modo flight). Esta

velocidad angular es seguida mediante un control proporcional integral (PI). El

lazo de control de la velocidad angular de los motores es un control proporcional,

[24].

De la maquina de estados descrita en la figura 3.12, pueden observarse dos modos

guiados. En modo fliying, el punto cero de orientacion es dado por el piloto. En

modo hovering, la orientacion es establecida al punto cero de la aeronave pero

la transicion desde modo flying a hovering es realizado por una funcion llama-

da Gotofix, que es una tecnica de planeacion de movimientos. El modo hovering

(velocidad y orientacion cero) es mantenidapor el lazo de control hovering que

consisteen un controlador PI de estimacion de la velocidad.

La planeacion de movimientos Gotofix es una caracterıstica importante en el

AR.Drone. La planeacion de movimientos comienza desde la orientacion y ve-

locidad actuales del cuadrotor cuandoel piloto deja el modo flying. La tecnica de

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 46

Figura 3.12: Maquina de estados finitos que gobierna el vuelo y algunos modosde control, [24]

generacion de trayectorias de transicion ha sido cuidadosamente disenada sin co-

nexion para obtener una velocidad y una orientacion cero en un lapso de tiempo

corto (sin exederse), bajo la forma de un control de retroalimentacion positiva

determinado por la inversion de la dinamica que lo rige.

3.4.3. Experimento con Cuadrotor

Utilizando el SDK para Windows proporcionado por Parrot para el control de la

aeronave AR.Drone, se llevo a cabo una aplicacion de consola de Windows con

la cual la computadora se conecta con el cuadrotor, esto en vez de hacerlo con

un dispositivo movil. Si bien, la mera conexion es via Wi-Fi, ya que el propio

AR.Drone crea un punto de acceso y cualquier dispositivo puede conectarse de

manera directa, el envıo y recepcion de paquetes de datos no es del todo simple.

La aplicacion que se utilizo como base para el desarrollo deeste trabajo. Laapli-

cacion tenıa dos funciones principales, ser capaz de pilotar el cuadrotor desde el

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 47

teclado de una computadora y por otro lado recibir toda lainformacion de nave-

gacion desde la aeronave.

Para lograr el pilotaje desde el teclado basto hacer uso de las funciones por defecto

y el ejemplo de funcionamiento incluidos en el SDK. Las funciones basicas para el

pilotaje via teclado del cuadrotor son las siguientes:

Tecla Accion8 o I Vuelo hacia delante2 o K Vuelo hacia atras4 o J Vuelo hacia la izquierda6 o L Vuelo hacia la derechaA o + Vuelo hacia arribaQ o - Vuelo hacia abajo7 o U Giro en sentido antihorario9 u O Giro en sentido horario

Barra espaciadora Despegue/AterizajeEsc o Tab Emergencia/Recobrar de Emergencia

F Envıo de una trama planaG Hovering

Tabla 3.1: Pilotaje del cuadrotor mediante el teclado

La comunicacion con el AR.Drone se hace a traves de cuatro funciones denomi-

nadas servicios de comunicacion, estos servicios estan implementados en el SDK,

[25].

Controlando y configurando el drone, se hace a traves de comandos AT (AT

Commands) esta es la manera regular

Para obterner lainformacion de navegacion del cuadrotor se hace uso de la

funcion navdata, esta nos entrega una cadena de caracteres entre los que

se encuentra informacion del Drone como son: estatus, altitud, orientacion,

velocidad. Navdata ademas contiene informacion filtrada y no de las medi-

ciones de los sensores. Esta informacion es enviada del AR.Drone al cliente

a una frecuencia de 200Hz, es decir cada 5ms.

Una transmision de video es enviada por el AR.Drone al dispositivo clien-

te. Imagenes de este video son decodificadas utilizando los decodificadores

incluidos en el SDK.

Cuadrotor, Modelado Dinamico y Simulacion 48

Los datos crıticos son comunicados a traves de un canal llamado el puerto de

control. Este puerto es en sı una comunicacion TCP para proporcionar una

comunicacion fiable. Es usado para recuperar los datos de configuracion.

Figura 3.13: Arquitectura en capasdeuna aplicacion de cliente usando el SDKde AR.Drone, [25]

Capıtulo 4

Dispositivo Haptico

En el presente capıtulo trata del dispositivo haptico empleado para la realizacion

de este trabajo, primeramente se habla de sus caracterısticas fısicas y cinematicas

y despues de su utilizacion mediante argoritmos de renderizacion haptica.

4.1. Descripcion y Funcionamiento del Disposi-

tivo

Figura 4.1: Dispositivo haptico Falcon R© Novint R©

49

Dispositivo Haptico 50

Para el presente trabajo se utilizo un dispositivo haptico llamado Falcon R©, creado

por la empresa Novint R©, el cual es considerado como un robot paralelo en confi-

guracion delta [26] de 3 GDL, las 3 articulaciones forman un paralelogramo que

permiten un movimiento en los 3 ejes coordenados x, y y z para modificar la posi-

cion del efector final, por su contruccion solo permiten el moviemiento el los tres

ejes de posicion, los 3 actuadores pueden ser lineales o rotativos para este tipo de

robots. Existen algunas ventajas en la configuracion delta para los robots, entre

ellas pueden encontrarse que son una excelente plataforma para tareas de tomar

y poner (pick-and-place), su relacion de potencia-peso es alta, una consideradcion

mas es que su construccion es mas delgada o pequena y la carga que pueden so-

portar es grande superando por mucho a los robots de cadena cinematica abierta

[27].En la figura 4.1 puede verse el dispositivo utilizado en el desarrollo de este

proyecto.

Las caracterısticas del Falcon R© son mostradas en la tabla 4.1.

Volumen de Trabajo 4”x 4”x 4”Capacidad de Fuerza >2lb

Resolucion de Posicion >400dpiDesconexion de la agarradera <1 segundo, tiempo de cambio

Interfaz de comunicacion USB 2.0Tamano 9”x 9”x9”

Peso 4lbConsumo de energıa 30W, 100-240V, 50-60Hz

Tabla 4.1: Caracterısticas del dispositivo Falcon R©

Aunada a estas caracterısticas, se puede resaltar el precio del dispositivo, el cual

ronda los $250 dolares estadounidenses, siendo ası unos de los dispositivos hapticos

de escritorio mas economicos en su tipo. A continuacion se ofrece una compara-

cion en precios y caracterısticas con otros dispositivos similares en capacidades

y funciones. Ver tabla 4.2, [28]. Entre lo mas destacable se tiene la relacion

costo-beneficio que aporta el dispositivo.

El Falcon R© como bien se menciono anteriormente utiliza el protocolo USB para su

conexion con la computadora que lo controla, el dispositivo recibe los comandos

deseados y los interpreta con el firmware que posee; la lectura de datos de los

sensores y encoder es transmitida de vuelta a la computadorade control de la

misma manera. El fabricante NOVINT R© ha liberado un SDK que trabaja con el

sistema operativo Windows unicamente, sin embargo hay una serie de bibliotecas

Dispositivo Haptico 51

Novint Falcon SensAblePhantom

Nintendo Wii-Mote

GDL 3 6 de 6Ejes de movimiento x, y y z x, y, z, roll, pitch

y yawx, y, z, roll, pitchy yaw

Exploracion de formas3D (retroalimentacioncinestesica)

Si Si No

Dinamica 3D Realista (per-cepcion de peso, momento,inercia, etc. para el usuario)

Si Si No

Precio para el Usuario (pre-cios en dolares americanos)

$250.00 de $2000 a$10000

Consola $200

Agarradera (handler) Muchas va-riantes

Pluma/Stylus WiiMote

Conexion/Comunicacion USB2.0 FireWire BluetoothControl 3D comparable alde la vida diaria

Si Si En algunasaplicaciones

Alta precision deun contro3D a un precio asequible

Si No No

Alta fidelidad de retroali-mentacion de fuerzas a unprecio asequible

Si No No

Tabla 4.2: Comparacion del Falcon R© con dispositivos de uso/caracterısticassimilares

de codigo abierto que nos permiten utilizar el dispositivo en multiples plataformas

como lo son: libnifalcon [29], chai3d [30], h3Dapi [31], las cuales trabajan en el

sistema operativo Linux ademas de Windows.

La interfaz utiliza una velocidad de muestreo de 1KHz, esto de manera ideal, se ha

observado en multiples trabajos que la velocidad 1KHz no siempre puede obtenerse

a traves de USB [32], fluctuando estas entre 800Hz y 1KHz dependiendo de la

carga del controlador de la computadora, por lo cual el firmware mantiene las

fuerzas comandadas por 100ms cuando no recibe datos o hasta que la informacion

varıe.

4.1.1. Interfaces Hapticas

Una interfaz haptica puede ser, como se menciona en 1, para realidad virtual (RV)

o para un sistema de teleoperacion. Independientemente de cual sea el caso, hay

Dispositivo Haptico 52

ciertos factores que intervienen en este tipo de interfaz, tomando en cuenta que la

funcion de esta es la interaccion del usuario a traves de un dispositivo haptico con el

mundo virtual o el ambiente teleoperado, esta interaccion provee retroalimentacion

de fuerzas en el canal cinestesico y tactil del operador. Hay 3 elementos principales:

el operador, el dispositivo haptico y el sistema de renderizado y de computo [33].

Operador: es el individuo que interactua con el ambiente virtual o teleope-

rado a traves del dispositivo haptico.

Dispositivo haptico: encargado de desplegar informacion proveniente del

mundo virtual, reflejada sobre el operador, ya sea en forma de estimulacion

cinestecica o en estimulacion tactil.

Sistema de computo: encargado de calcular y procesar los modelos matemati-

cos y procedimientos graficos (para mundos virtuales) y de sensado (en te-

leoperacion). Este sistema se encarga de leer las posiciones y veocidades

provenientes del dispositivo haptico ası como de calcular y enviar los pares

de control.

Renderizado haptico: proceso mediante el cual se generan las senales de

control sobre dispositivos hapticos para generar el vector de fuerza calcu-

lada/sensada en el ambiente virtual/teleoperado sobre el efector final del

dispositivo haptico.

Servo: conformado por los mecanismos y la parte electronica de potencia

y comunicacion que permiten al dispositivo haptico generar las fuerzasde

reaccion calculadas por el sistema de computo.

En la figura 4.2 se presentan los elementos de una interfaz haptica.

Ademas en la figura se mencionan las interrelaciones importantes de la interfaz

haptica, estas, se decriben a continuacion:

El acoplamiento cinestesico humano-dispositivo haptico (en contacto): en es-

te, el operador cambia el estado del dispositivo desplazando o manipulando

los mecanismos del dispositivo. El dispositivo a su vez retroalimenta al ope-

rador fuerzas o estimulacion tactil virtuales sobre las terminales nerviosas

y/o articulaciones.

Dispositivo Haptico 53

Figura 4.2: Principales componentes de una interfaz haptica y sus interrela-ciones, [33]

El acoplamiento dispositivo-sistema de computo (en contacto): se representa

como un sistema de control donde el dispositivo haptico despliega la fuerza

de contacto calculada en el sistema de computo en el mundo real hacia

el operador ademas de capturar la posicion y velocidad hacia el sistema

de computodesdedonde recibe las correspondientes acciones e control de los

actuadores.

El acoplamiento visual-auditivo (sin contacto): este se presenta debido a la

renderizacion 3D en el caso de interaccion con ambientes virtuales o debido

a la realimentacion visual por parte del sistema teleoperado, y sea fısica o a

traves de camaras.

El sistema de control haptico es, por lo tanto, responsable de la estimulacion

cinestesica hacia el humano.

Hay ciertos puntos importantes que se deben tomar en cuenta al momento de hacer

una aplicacion de usuario que incluya una interfaz haptica, entre las caracterısticas

mas importantes esta la siguiente: El sistema o subsistema de comunicacion de la

aplicacion debe ser capaz de enviar informacion al dispositivo haptico a 1KHz, [34],

Dispositivo Haptico 54

o tratando de alcanzar esta velocidad, esto es debido a las funciones de percepcion

del usuario como tal, si la frecuencia de refresco del dispositivo es menor a 1Khz,

el usuario percibiria una fuerza no contante, es decir, el realismo o dinamismo de

la aplicacion no serıa el adecuado.

Habiendo mencionado lospuntos basicos para entender las capacidades del dispo-

sitivo hatico Falcon y las caracteıstica de una interfaz haptica, a continuacion se

hablara de su conexion, programacion y control.

4.2. Control del Dispositivo Haptico

Anteriormente se mencionaron 4 plataformas de desarrollo para el control del

dispositivo, en su mayorıa de cıdigo abierto y multiplataforma, siendo esta una

ventaja por encima del SDK oficial.

Para el desarrolo de esta tesis se utilizo la plataforma de codigo abierto CHAI3D,

la cual tiene soporte para el dispositivo en la version para Windows de 32 bits,

esta se programa a trves de una solucion de Visual Studio en lenguaje C++.

Las bibliotecas de CHAI3d utilizadas se centran en la interaccion de los dispositivos

con ambientes virtuales, cuenta con una serie de ejemplos y aplicaciones para

que el usuario se familiarice con los metodos de programacion y a partir de esto

pueda desarrollar aplicaciones. La parte grafica de los ejemplos y apicaciones de

los ambientes virtuales de muestra utilizan openGL.

Aunado al uso de las bibliotecas propias de CHAI, se utilizan bibliotecas ma-

tematicas y parte de las bibliotecas que se incluyen en el SDK, esto para hacer

mas eficiente el uso del dispositivo mediante programacion, la union de bibliotecas

que se uso para este desarrollo fue realizada por [33].

Para aprender a utilizar el dispositivo haptico se trabajo con una aplicacion de las

bibliotecas de CHAI, la aplicacion es Devices, esta aplicacion hace la identificacion

de los dispositivos conectadosa la computadora, les asigna un numero y un proxy en

pantalla y es capaz de renderizar un ambiente viscoso, a partir de esa aplicacion se

creo una nueva, en donde identificamos el dispositivo, posteriormente renderizamos

una esfera en el centro del volumen de trabajo del dispositivo que el usuario es

capaz de percibir, gracias a esta renderizacion haptica. Dicho ejemplo se explica a

continuacion.

Dispositivo Haptico 55

4.2.1. Experimento con Dispositivo Haptico

Como primer experimento, haciendo uso de lo que se habıa aprendido del dispo-

sitivo haptico, se realizo el trabajo denominado Teleoperacion de un robot movil

diferencial mediante un dispositivo haptico con retroalimentacion visual el cual

fue presentado en el 11Congreso Nacional de Mecatronica.

Para llevar a cabo este trabajo, este se dividio en subsistemas, por un lado el

subsistema maestro compuesto por el dispositivo haptico y una computadora; por

el otro lado el subsistema esclavo, compuesto por el robot movil diferencial y una

netbook de abordo. La comunicacion entre las dos computadoras se realizo dema-

nera inalambrica con modulos Xbee, los cuales permiten una counicacion serial

limpia.

Figura 4.3: Diagrama de flujo Maestro

En la figura 4.3 se aprecia el diagrama de flujo del funcionamiento del programa

para el subsistema maestro. Como se puede ver, este programa solo hace una com-

paracion de la localizacion del proxy con respecto una circunferencia y dependiendo

de donde se encutre este, envıa los datos de posicion via serial.

La ecuacion 4.1 presenta la ecuacion comparativa del punto del efector final en el

volumende de trabajo con respecto el volumen de la esfera preestablecida.

ϕ = (x− xd)2 + (y − yd)2 − r2 (4.1)

Dispositivo Haptico 56

donde:

ϕ :determina la distancia de un punto con respecto al contorno del cırculo.

x y y: determinanla posicion del efector final.

xd y yd: determinan la posicion del centro de la circunferencia.

r: radio de la circunferencia.

Figura 4.4: Cırculo

Por su parte, el subsistema esclavo recibe los datos de posicion del dispositivo

haptico y realiza su movimiento dependiendo de estos, figura 4.5.

Gracias al uso y union de las bibliotecas para el uso del Falcon podemos reducir la

programacion a bases meramente matematicas y de esta manera llevar a cabo una

programacion mas sencilla. Se expresa la esfera en el centro del volumen de trabajo

mediante la ecuacion pertinente, posteriormente se le asignan propiedades fısicas

para su interaccion con el proxy correspondiente al dispositivo haptico y ası al

usuario, por lo tanto se requiere que esta varıe con respecto al tiempo, ası que se

considera la siguiente ecuacion ordinaria de segundo orden:

ϕ(x, y, z) + bϕ(x, y, z) + kϕ(x, y, z) = 0 (4.2)

donde

Dispositivo Haptico 57

Figura 4.5: Diagrama de flujo Esclavo

b y k son las constantes escalares positivas que representan el amortigua-

miento y elasticidad del sistema respectivamente

ϕ y ϕ son la primera y segunda derivada temporal del cırculo ϕ ( 4.1).

El sistema permite que ϕ sea distinta de cero alo largo del tiempo, dada la con-

figruacion de la ecuacion, el sistema se comporta como un sistema masa-resorte-

amortiguador.

De esta manera se represena un objeto virtual esferico de radio r al centro del

volumen de trabajo, es decir, a las coordenadas (0, 0, 0) en x, y y z respectivamente.

Una vez definido dicho objeto, ecuacion 4.2, dicho objeto se convierte en un objeto

dinamico, con la posibilidad de modificar su estado a traves del tiempo. El interes

en definir un objetovirtual dinamico es permitir a un agente externo, en este caso

el usuario, que modifique el estado del objeto, por lo que es necesario introducir

una fuerza externa al sistema para asi “deformarlo”.

El modelo matematico quedarıa de la siguiente forma:

Dispositivo Haptico 58

− F = ϕ(x, y, z) + bϕ(x, y, z) + kϕ(x, y, z) (4.3)

donde:

F : es la fuerza exogena capaz de modificar el estado del sistema, esta puede

ser modificada por el usuario mediante el dispositivo haptico. Una propiedad

importante de la ecuacion 4.3 es qe los cambios solo suceden en direccion

normal a la superficie definia por 4.2, es decir, en direccion del vector normal.

La representacion de fuerzas en el espacio articular del dispositivo haptico se logra

mediante la cinematica directa de este, por lo que es necesario pasar de un espacio

cartesiano R3 a un espacio artıcular q en R3. Para esto, se utilizan las bibliotecas

del SDK que proporciona Novint R© las cuales mediante el uso de vectores de fuerza

pueden representar esta en el espacio articular del robot.

Capıtulo 5

Plataforma Experimental

En el presente capıtulo se muestran los elementos que componen al sistema de

teleoperacion con retroalimentacion haptica del cuadrotor ası como la descripcion

detallada de los elementos deprogramacion que se utilizan, tambien se habla de

las herramientas computacionales utilizadas para su desarrollo y de los aspectos

tecnicos.

Las aplicaciones de teleoperacion que emplean interfaces hapticas involucran la

mecanica del dispositivo haptico, los algoritmos de control, representados por los

modelos matematicos en el sistema teleoperado (en este caso el sistema de control

embebido del cuadrotor) y del dispositivo haptico, la programacion de la aplicacion

como lo es la comunicacion con los dispositivos y la representacion de fuerzas y

posiciones en estos.

5.1. Componentes del Sistema

Los dispositivos principales utilizados en el proyecto son (figura 5.1):

Dispositivo haptico Falcon.

Equipo de computo, computadora portatil con sistema operativo Windows.

Cuadrotor AR.Drone.

59

Plataforma experimental 60

Figura 5.1: Elementos basicos del sistema

Para el desarrollo de este trabajo se utilizaron diferentes partes que anteriormente

se habıan programado, las cuales al ser programadas de manera modular, fueron

ensambladas mediante el uso de LabView.

Como se presento en el capıtulo 4, el uso del dispositivo haptico se reduce a pro-

gramacion mediante el uso de las herramientas disponibles, en la elaboracion del

subsistema haptico de este trabajo se retoman los experimentos hechos anterior-

mente y se utiliza una DLL (Biblioteca de enlace dinamico) con funciones DLL

para leer los datos de posicion del falcon y escribir los datos de fuerza en el dispo-

sitivo.

5.2. Lazos: Cinestesico, Control, Servo y Visual

El sistema 5.2 consta de varios lazos, el cinestesico, el de control, el lazo servo y

el visual. Se hablara de cada uno de estos con referencia a este proyecto especıfi-

camente.

Lazo Cinestesico: se logra de la interaccion del usuario con el dispositivo

haptico, la manipulacion del efector final del dispositivo genera cambios de

posicion que se envıan a la computadora, la cual a su vez, determina la accion

deseada del usuario y la envıa a la aeronave. Para el caso de este trabajo

solamente se modificara la poscion del AR.Drone en el plano x, y y la altura,

con los ejes coordenados del Falcon x, z y y respectivamente. Se dice lazo

cinestesico debido a las fuerzas de interaccion existentes, ya sean inducidas

Plataforma experimental 61

Figura 5.2: Lazos internos del sistema

por el usuario para lograr la teleoperacion o sean de vuelta por parte del

dispositivo haptico hacia el operador para retroalimentar fuerzas del sistema

teleoperado. La frecuencia de trabajo de este lazo debe rondar 1Khz para

que la percepcion del usuario no se veamenguada.

Lazo de Control: este se da entre la el dispositivo haptico y la computadora

ya que el dispositivo enviara a la computadora los datos de control para

la teleoperacion y a su vezrecibira la informacion de retroalimentacion de

fuerzas para ser desplegada al usuario.

Lazo Servo: en este la computadora envıa los datos de velocidad que se

habran de inducir en los motores del cuadrotor, el cuadrotor cuenta con un

sistema de control interno que le permite volar de manera estable, las senales

de la computadora le sirven como guıa en los movimientos que tiene que hacer

para posicionarse como sea que el usuario desee en el espacio 3D. Losdatos

de navegacion de la aeronave son enviados por Wi-Fi hacia la computadora

para ser procesados. La velocidad de trabajo de este lazo ronda los 200MHz

gracias a la comunicacion Wi-Fi y el sistema operativo de tiempo real de

abordo.

Lazo Visual: es el lazo existente entre el usuario y el cuadrotor, no hay

ningun tipo de interaccion como tal, este lazo solo existe para darle una

referencia visual al operador de lo que esta pasando con el dispositivo que se

esta teleoperando. El lazo visual puede existir de manera directa, es decir, que

Plataforma experimental 62

el usuario tenga a la vista la aeronave que esta pilotando, o bien, puede existir

de manera indirecta, como por ejemplo, con una transmision de video desde

la aeronave, la cual se despliega en la computadora para ası establecer una

referencia visual de pilotaje para el ususario, en el caso de la transmision de

video, esta tendrıa que funcionar al menos a 24Hz para que la percepcion del

usuario no se vea afectada, en este caso, debido a las caracterısticas propias

del AR.Drone solo se puede cumplir esta demanda con la transmision de

video de la camara vertical, en cuanto a la camara frontal, la transmision de

video serıa de 18MHz.

Un diagrama de flujo de la aplicacion completa puede verse en la figura 5.3. En

este se presenta la estructura basica de la aplicacion completa

5.2.1. Flujo de Informacion

La informacion necesaria para la creacion de fuerzas de retroalimentacion haptica

proviene del dispositivo haptico, del usuario, del sistema de computo y de los datos

de navegacion del cuadrotor. El flujo de informacion entre los distintos dispositivos

y componentes se comentan a continuacion:

Paso 1 El piloto/operador mueve el efector final del dispositivo haptico, de

esta maner genera nuevas posiciones articulares

Paso 2 Dichas posiciones son sensadas mediante los encoders del dispositivo

Paso 3 Los datos de posicion del dispositivo son enviados a la computadora

para su procesamiento

Paso 4 El programa recibe los datos del dispositivo y los guarda en localidades

de memoria para su posterior utilizacion

Paso 5 El programa calcula las variables de posicion que seran enviadas al

cuadrotor

Paso 6 El cuadrotor recibe los datos de la variacion de la posicion y con estos

varıa la orientacion del dispositivo

Plataforma experimental 63

Figura 5.3: Diagrama de flujo general

Paso 7 El desplazamiento del dispositivo genera un cambio en la velocidad,

la velocidad ası como otros datos de navegacion del cuadrotor don

sensados mediante la IMU, dichos datos son enviados a la computadora

Plataforma experimental 64

Paso 8 Los datos de navegacion son procesados para conocer el estado de la ae-

ronave, se realiza una comparacion en la velocidad actual de cuadrotor

y los datos enviados anteriormente

Paso 9 Si existe una diferencia significativa, entre el cambio de posicion desea-

do en la aeronave y los datos sensados, se enviara una senal de control

al dispositivo haptico, esta,traducia en un vector de fuerza

Paso 10 Los datos de control recibidos en voltajes que se envıan como pares de

control al dispositivo

Paso 11 El usuario percibe fuerzas de reaccion debido a su acoplaminetoen el

dispositivo haptico

Paso 12 El operador recibe una realimentacion visual, directa o indirecta, del

dispositivo en la tarea que realiza

5.3. Programacion del Sistema

Los datos enviados para el control de la posicon del cuadrotor son tomados direc-

tamente de una comparacion de la posicion del proxy del disositivo haptico con

respecto a su origen. El algoritmo para este calculo es el mismo que el ejemplo

mostrado en el capıtulo 4. Ademas de la comparativa de posicion del proxy del

dispositivo haptico, es necesario tener cierto control sobre el dispositivo, ya que si

de momento el operador deja libremente el efector final, es decir, sin ningun tipo

de restriccion, el movimiento propio del dispositivo causado por su propio peso

podrıa afectar la teleoperacion, ya que aun cuando el operador no este haciendo

uso del dispositivo podrıan estar enviandose datos no deseados.

A continuacion se muestra el diagrama de flujo del algoritmo empleado para el

control propio del dispositivo haptico:

Mediante la manipulacion del dispositivo haptico por parte del operador se obtie-

nen las variables de control para la posicion de cuadrotor. Las variables de posicion

seran entonces x, z y y del dispositivo, con las cuales se podran manipular x, y y

z del cuadrotor respectivamete.

En la figura 5.5 se observa un diagrama de control del propio del cuadrotor, hay

que recordar que los datos del ususario, que en este caso ya no provienen de un

Plataforma experimental 65

Figura 5.4: Diagrama de flujo, accion del dispositivo haptico

Figura 5.5: Diagrama de control del AR.Drone [35]

dispositivo movil si no de la computadora que sera nuestra estacion de tierra y

que a su vez procesa los datos del dispositivo haptico, interactuan unicamente con

la maquina de estados finitos del controlador de la aeronave, mas sin embargo, se

pueden recibir todos los datos de navegacion para su procesamiento.

En la figura 5.5 se presenta el esquema de control interno del del AR.Drone el

cual realiza la auto estabilizacion del sistema y conduce la aeronave a partir de 4

senales de control que recibe de la estacion de tierra. Dichas senales de control son

las siguientes:

Plataforma experimental 66

rx: giro con respecto al eje x, Roll

ry: giro con respecto al eje y, Pitch

rz: ganancia de los motores para el control de altura en z, Thrust

rψ: giro con respecto al eje z, Yaw

Para el proyecto presentado unicamente utilizaremos las entradas de control de

rx, ry y rz, para controlar la posicion y elevacion de la aeronave, no se utiliza

la entrada de control de Yaw por la construccion y capacidades del dispositivo

haptico, para esto seria necesario un dispositivo que permita mas entradas o GDL.

En el diagrama de control anterior se puede ver ademas el por que del sistema

subactuado, a la entrada del bloque de control del cuadrotor tenemos 4 variables,

3 de posicion y 1 de orientacion, pero, a la salida tenemos 6 variables, 3 de posicion

y 3 de orientacion. Tambien se aprecia la salida de los datos de navegacion de vuelta

a control de guiado del usuario.

Figura 5.6: Diagrama de flujo, datos del Cuadrotor

Plataforma experimental 67

Un diagrama de flujo de la programacion de los datos de vuelo de la aeronave

puede observarse en la figura 5.6. El envıo de datos de posicion y de recepcion

de datos de navegacion de la aeronave se realiza a traves de Wi-Fi, ademas de

ser lograda gracias a las bibliotecas de la API que proporciona Parrot. Multiples

bibliotecas de procesamiento de los datos, tanto de navegacion como de video,

pueden ser utilizadas.

Desafortunadamente la platadorma AR.Drone es de codigo cerrado, unicamente

se tiene acceso a la informacion que el fabricante provee desde la computadora de

abordo y unicamente se puede acceder a esta mediante Wi-Fi. Existen al menos

dos desarrollos de codigo abierto para la plataforma ROS1 y URBI2, los cuales

sustituyen el firmware de abordo y permiten un acceso total a los sensores y

controladores del sistema.

La integracion final se realizo utilizando el software LabView y el ToolKit de

ArDrone, ademas se utilizo una DLL para utilizar el dispositivo haptico Falcon.

A continuacuon se presenta la interfaz de usuario desarrollada en este trabajo.

5.4. Interfaz de Usuario

Con la programacion grafica y modular de LabView ası como con los blouqes del

toolkit de ArDrone se logra establecer la comunicacion TCP/IP que se requiere

para controlar el ArDrone. Una muestra de la aplicacion puede verse en la figura

5.7.

El uso del dispositivo haptico se logra mediante el uso de una biblioteca de en-

lace dinamico, la cual, resume las funciones a utilizar y provee la informacion en

variables reconocibles dentro del ambiente de Labview.

Las diferentes partes de la interfaz estan especificadas con etiquetas, y son las

siguientes:

Posicion Falcon, aqui se despliega la informacion de posicion en x, y y z del

dispositivo.

1Robotics Operating System2Plataforma de software de codigo abierto para conrolar robots o sistemas complejos en

general

Plataforma experimental 68

Figura 5.7: Inrterfaz de usuario

Kp Roll, esta es una barra deslizadora para el usuario que permite ajustar

el valor de la ganancia proporcional que afecta al eje x del dispositivo.

Kd Roll, esta es una barra deslizadora para el usuario que permite ajustar

el valor de la ganancia diferencial que afecta al eje x del dispositivo.

Kp Pitch, esta es una barra deslizadora para el usuario que permite ajustar

el valor de la ganancia proporcional que afecta al eje y del dispositivo.

Kd Pitch, esta es una barra deslizadora para el usuario que permite ajustar

el valor de la ganancia proporcional que afecta al eje y del dispositivo.

Ganancia Haptica Thrust, es una barra deslizante que permite controlar la

ganancia de control para la retroalimentacion haptica en el eje z.

Roll, muestra la ganancia con respecto al eje x enviada a los motores izquier-

dos y derechos.

Pitch, muestra la ganancia con respecto al eje y enviada a los motores de-

lanteros y traseros.

Thrust, muestra la ganancia enviada a los cuatro motores para controlar la

altura de vuelo de la aeronave.

NavData Out, Muestra los datos de navegacion, o informacion de vuelo, que

se recibe desde la aeronave, en este bloque se muestra el estado del control,

el porcentaje de la baterıa, el angulo de Pitch en grados, el angulo de Roll

en grados, el angulo de Yaw en grados, la altura de vuelo en cm, la velocidad

Plataforma experimental 69

de desplazamiento en x, la velocidad de desplazamiento en y, la velocidad

de desplazamiento en z y el tipo de deteccion emleado en la camara.

Hover, este es un boton con enclavamiento que permite acticar el modo

Hovering de vuelo.

Take Off/Land, boton con enclavamiento que permite despegar y aterrizar

la aeronave.

Emergency Landing, boton con enclavamiento que permite entrar en modo

de aterrizaje de emergencia automatico al cuadrotor.

Battery Remaining, cuadro que muestra el p¿orcentaje de bateria restante

de la aeronave.

Stop, boton para detener la aplicacion de control del cuadrotor.

Video Stream, cuadro de video, en este se desplega el video tomado en el

ArDrone.

Stop Video, boton para detener la transmision de video.

Las funciones de la biblioteca de enlace dinamico utilizadas dentro de la aplicacion

final son las siguientes:

dll init, realiza la inicializazion del dsispositivo haptico.

dll getX, se obtiene la posicion en x del dispositivo.

dll getY, se obtiene la posicion en y del dispositivo.

dll getZ, se obtiene la posicion en z del dispositivo.

dll getXp, se obtiene la velocidad del dispositivo en el eje x.

dll getZp, se obtiene la velocidad del dispositivo en el eje z.

dll setForce, envıa la informacion del vectoer de fuerza a desplegar en el

dispositivo.

Plataforma experimental 70

Tal como se propuso desde un principio, el dispositivo haptico tiene habilitado un

resorte al centro de su area de trabajo, dicho resorte actua en los ejes x y y, de

esta forma el dispositivo tiende a llevar al usuario al centro y evitar enviar datos

de posicion a la aeronave que puedan entonrpecer o perjudicar la teleoperacion,

se utilizan las barras deslizantes para aumentar o disminuir el efecto del resorte

o la fuerza con la que el usuario es llevado al centro. Dicho funcionamiento es

habilitado dentro de LabView tomando en cuenta los valores configruados para las

ganancias y la posicion del dispositivo. La programacion en bloques de LabView

para representar el resorte en el Falcon puede verse en la figura 5.8.

Figura 5.8: Programacion grafica del resorte en LabView

La parte haptica de la teleoperacion puede funcionar en los 3 ejes, pero, debido a

que la aeronave calcula su propio velocidad mediante la integracion de los datos

de aceleracion obtenidos por el acelerometro que posee, estos tienen errores de

integracion incrementales en el tiempo, lo cual es poco funcional para los experi-

mentos, sin embargo, la velocidad en el eje x de la aeronavce se calcula a partir de

los datos obtenidos por los sensores ultrasonicos por lo cual es confiable para hacer

el ejercicio de retroalimentacion de fuerzas, esta se logra comparando la los cambio

Plataforma experimental 71

de altura y representandoselos al usuario para su compensacion. La programacion

grafica se presenta en la figura 5.9.

Figura 5.9: Implementacion de la retroalimentacion haptica en LabView

La programacion grafica y configuracion de la aplicacion final se presenta en la

figura 5.10, se tienen 2 ciclos principales, el de video y el de control, y un bloque

externo, el bloque externo es un bloque dll de inicializacion del dispositivo haptico

y se inicia al princiıo de la aplicacion, en el ciclo de video se inicializa la conexion

para la transmision de video desde el ArDrone, el ciclo mas grande es el ciclo

principal, en este se entabla la conexion de control del cuadrotor y se inicia el

bloque para el recepcion de los datos de navegacion.

La aplicacion final es un archivo ejecutable de Windows (.exe), los requisitos para

utilizar la aplicacio son: tener instalados los controladores del dispositivo Falcon

que provee directamente el fabricante Novint, tener la computadora conectada al

ArDrone mediante Wi-Fi a la red que la aeronave crea.

Plataforma experimental 72

Figura 5.10: Bloque completo del programa

Capıtulo 6

Resultados Obtenidos

El objetivo principal de este trabajo es disenar en implementar un sistemade te-

leoperacion para un cuadrotor mediante un disposotivo haptico, en el cual, se

realimentarıan fuerzas sensadas en el vehıculo, todo esto, manteniendo el cuadro-

tor estable en su operacion. Para lograr lo anterior se plantearon algunos objetivos

especıficos, a los cuales se dio solucion como a continuacion se comentara.

Se aprendio a utilizar el dispositivo haptico Falcon Novint mediante el uso

de bibliotecas de codigo abierto ademas de el SDK proporcionado por el

fabricante. Se realizaron varios ejercicios con el dispositivo entre los que se

encuentran:

• Representacion de un objeto virtual (esfera) y asignacion de propie-

dades fısicas para lograr una interaccion con el usuario mediante el

dispositivo. Este primer experimento carecıa de fısica realista, la esfera

representaba un objeto indeformable y unicamente existıa una reali-

mentacion de fuerzas normal al objeto.

• Seguimiento de una trayectoria circular en un plano del dispositivo,

ademas se implemento un controlador basado en el error, cuando el

usuario tomaba el efector final del robot y modificaba la trayectoria,

eldispositivo compensaba la fuerza del usuario

• Se programo un campo portencial artificial en el dispositivo, primero

repulsivo y luego atractivo, la principal caracterıstica del campo pro-

gramado es su semejanza con un sistema masa-resorte-amortiguador.

73

Resultados Obtenidos 74

• Representacion de un objeto virtual mediante su modelo matematico

ademas de tener una realimentacion de fuerzas mas realista con el uso

de descomposicion ortogonal para la representacion de fuerzas en el

dispositivo haptico, se pueden sentir deformaciones del objeto virtual

asi como rugosidad. La realimentacion de fuerzas no solo se calcula

en sentido normal del objeto, si no ademas en sentido tangencial y en

vectores compuestos por estos.

• Finalmente se llevo a cabo la teleoperacion de un robot movil dife-

rencial a traves del dispositivo haptico, la programacion se realizo de

manera modular, esto de forma que el sistema fuera capaz de adaptar-

se sin menores cambios para teleoperar otros dispositivos, lo cual, se

realizo despues con un helicoptero de juguete y un brazo manipulador.

Se adquirieron las bases matematicas para entender el modelo dinamico clasi-

co del cuadrotor. Se trabajo el modelo visto como un PVTOL doble, de esta

manera se tienen las 4 entradas de control: Roll, P itchY aw y Thrust. Se

estudio el modelo, se programo en Matlab R© y se realizo la simulacion de

este, variando la orientacion para obtener un cambio en la posicion x, y de

la aeronave.

Una vez que se tuvo acceso al cuadrotor, en este caso fue el AR.Drone de

Parrot, se solicito el acceso para hacer uso del SDK oficial el cual tiene ciertas

restricciones y solo estpa disponible para desarrolladores. Una vez que se

tuvo acceso al SDK se estudiaron las bibliotecas de este y se establecio una

conexion con una computadora, en vez de un dispositivo movil (telefono

inteligente, tableta, etc.), y se realizo un programa de ejemplo en el que se

obtuvieran los datos de navegacion, en los cuales se incluye la velocidad de

desplazamiento que calcula la computadora de abordo del cuadrotor, este

calculo de velocidad se basa en la informacion de inclinacion del giroscopo,

la velocidad sensada en el acelerometro y en la informacion de la camara

vertical.

Como se menciono anteriormente, el dispositivo haptico no podıa estar li-

bre, ya que al estar en algun punto aleatorio, y desconocido en un principio,

del espacio de trabajo no se podrıa operar la aeronave. El control que se

le programo al dispositivo fue un resorte acoplado al centro del volumen de

trabajo, el cual, mantiene al dispositivo en el punto (0, 0, 0) de sus coorde-

nadas cartesianas y solamente cambia su posicion cuando es manipulada por

Resultados Obtenidos 75

el usuario, en cuyo caso tambien varıa la posicion del cuadrotor, y cuan-

do recibe informacion desde la aeronave que indica que se esta desplazando

sin ası haberlo solicitado, cambia la posicion para que el operador pueda

compensar la perturbacion de la aeronave.

La aplicacion final despliega informacion de navegacion de la aeronave ası co-

mo un flujo de video que recibe por parte del cuadrotor, con el cual se esta-

blece el lazo visual con el operador.

La aplicacion controla al cuadrotor basado en las senales de posicion del

dispositivo haptico y al mismo tiempo controla la posicion del dispositivo

haptico basado en las senales de velocidad del cuadrotor. Lo anterior selogra

estableciendo estados de reposo para ambos dispositivos, procurando que

despues de cada accion del operador o perturbacion en la aeronave ambos

tiendan su estado de reposo.

Se realizaron pruebas de pilotaje indoor (dentro de un recinto libre de viento

y en condiciones controladas). En estas pruebas se demostro que se puede

operar la aeronave y al mismo tiempo recibir realimentacion de fuerzas sin

que esto afecte la teleoperacion.

Se realizaron pruebas de pilotaje outdoor, es decir, fuera de un recinto con

condiciones controladas. En estas pruebas se demostro que se puede operar

la aeronave y al mismo tiempo recibir realimentacion de fuerzas sin que esto

afecte la teleoperacion. Ademas de que es posible percibir en el mando hapti-

co cuando la aeronave es afectada por un agente externo (viento, obstaculo,

etc.) para que el usuario compense dicha perturbacion y mejore su capacidad

de teleoperacion.

Conclusiones y Trabajo a Futuro

El uso de dispositivos hapticos en tareas de teleoperacion de robots es sin duda de

gran ayuda, cuando se mejora la percepcion del operador del ambiente teleoperado

se logra una mejor coordinacion de este y por lo tanto un mejor desempeno en la

tarearealizada.

El uso de vehıculos aereos no tripulados para uso no militar es cada dıa mas am-

plio y asequible. Actualmente pueden encontrarse UAVs realizando tareas de riego

en el campo, son utilizados para fotografıa y videograbacion aerea en espacios

reducidos, lo cual resulta de gran ayuda cuando se tienen que realizar tomas en

espacios con edificios altos, pueden tambien encontrarse para exploracion en zo-

nas de desastre. En 2012, durante la catastrofe nuclear de Fukushima, Japon, se

utilizaron cuadrotores para explorar los reactores nucleares y para entrar en zonas

en extremo peligrosas para los seres humanos. Al brindarle a los operadores la

posibilidad de sentir las perturbaciones que una aeronave esta experimentado, po-

siblemente fuera de su vista, se garantiza un mejor desempeno y aprovechamiento

de esta herramienta para la realizacion de diversas tareas.

El uso de programas y bibliotecas de codigo abierto en el desarrollo de este pro-

yecto fueron fundamentales para el exito de este, ademas de tener acceso al cono-

cimiento completo de los dispositivos que se estan utilizando, se garantiza que el

conocimiento pueda reproducirse y mejorarse mendiante la participacion de otros

desarrolladores y estudiosos que esten interesados en el tema.

Se puede concluir que los objetivos planteados en este trabajo se llevaron a ca-

bo de manera exitosa. Se diseno un sistema modular para la teleoperacion de un

cuadrotor, probando ademas que se puede acoplar otro sistema para ser teleope-

rado o incluso otro tipo de mando para pilotar el cuadrotor. Se verifico de manera

experimental la utilidad del sistema de teleoperacion.

76

Conclusiones 77

6.1. Publicaciones

Los artıculos publicados derivados de este trabajo son los siguientes:

Butron-Castaneda Marco, Gonzalez-Garcıa Luis, Sepulveda-Cervantes Ga-

briel, Portilla-Flores Edgar. “Teleoperacion de un Robot Movil Diferencial

Mediante un Dispositivo Haptico con Retroalimentacion Visual”, 11Congreso

Nacional de Mecatronica. Villahermosa Tabasco, Octubre de 2012.

Ponce de Leon-Zarate Gerardo, Butron-Castaneda Marco, Sepulveda-Cervantes

Gabriel, Portilla-Flores Edgar. “Deteccion de Fuerza Contra-Electro-Motriz

para el control de un Motor Brushless”, 11Congreso Nacional de Mecatroni-

ca. Villahermosa Tabasco, Octubre de 2012.

6.2. Trabajo a Futuro

Se han desarrollado herramientas que permiten la integracion de multipes

dispositivos de teleoperacion y robots. Gracias a esto se puede extender el

uso de dispositivos hapticos a otras aplicaciones. Los posibles trabajos de

mejoramiento y desarrollo son:

• Implementar un dispositivo haptico con mas GDL que brinde una mejor

interaccion con el dispositivo

• Programar el vehıculo aereo mediante el uso de plataformas de desa-

rrollo modulares como lo son ROS y URBI para lograr un control total

de la aeronave

• Migrar el sistema de teleoperacion al sistema operativo Linux, esto,

para mejorar el desempeno del sistemaya que ası podrıan mejorarse los

tiempos de comunicacion y a su vez el control de los dispositivos.

• Implementar un cuadrotor de codigo abierto, el cual, permita la modi-

ficacion de los algoritmos de control que gobiernan su estabilidad, para

ası probar los algoritmos estudiados.

• Implementar un sistema de vision artıficial para conocer la posicion

de la aeronave en todo momento y mejorar el algoritmo de control del

sistema.

Conclusiones 78

La realizacion de los trabajos a furuto aquı presentados permitirıa el desa-

rrollo de otros trabajos de maestrıa y permitirıan tambien, al que escri-

be, continuar con estudios de doctorado asegurando ası un mejor desarrollo

academico y el desarrollo de conocimiento.

Bibliografıa

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