Monitoreo y control de la posición angular de una cámara.

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1 Monitoreo y control de la posición angular de una cámara. Héctor Bonilla Barranco, Aarón E. López Luna, Daniel Ortiz Hernández, Ángel Bulmaro Sánchez Rubio Benemérita universidad autónoma de Puebla 4 Sur 104, Centro Histórico, Puebla, México hectorr.bonilla@alumno.buap.mx; eleazar.lopez@alumno.buap.mx; daniel.ortiz@alumno.buap.mx; tda23@ece.buap.mx RESUMEN El monitoreo de sistemas permite conocer el estado o condición actual de algún proceso y de esta manera llevar a cabo acciones que mantengan el desempeño optimo del sistema. En este Trabajo se presenta una solución sencilla de monitoreo y control para la posición angular de una cámara. Para la obtención de la posición angular se utilizó un acelerómetro el cual primeramente se caracterizó para obtener el rango de valores reales. Se diseñó una estructura física con dos actuadores que permitieran el desplazamiento angular de la cámara en dos ejes. Finalmente se desarrolló un programa que permite el monitoreo de la posición de la cámara y permite controlar en que ángulo se desea que se mantenga posicionada incluso ante perturbaciones externas. PALABRAS CLAVE: Monitoreo, sensor, acelerómetro, Labview, control. 1 INTRODUCCIÓN En la actualidad existen una gran variedad de aplicaciones en donde es usado algún tipo de cámara con el fin de capturar una imagen o un video. En muchas ocasiones la cámara es acoplada a algún sistema que se mueve o se desplaza. Este desplazamiento puede ocasionar que la cámara pierda de vista el objeto o el área que se pretende observar. Para evitar que esto ocurra se han empezado a desarrollar sistemas que permiten a la cámara mantener su posición fija y de esta manera obtener una imagen o video de excelente calidad. Algunos de los sensores que se utilizan para realizar esta tarea son los acelerómetros, los cuales permiten obtener la posición angular en base a un sistema de referencia. La habilidad de poder monitorear y controlar la posición angular mediante una herramienta computacional incrementa la robustez y calidad del sistema de control. Una de las plataformas de programación capaces de desarrollar una aplicación así es Labview. El software de Labview ofrece un entorno amigable para construir de manera sencilla programas que permitan la interfaz de algún usuario con algún sistema de proceso y control. Este trabajo está organizado de la siguiente manera. En la sección 2 se presenta la caracterización de un acelerómetro incorporado a la parte inferior de la cámara con el objetivo de conocer el rango de valores en los que se tendrá que trabajar para el diseño del programa. En la sección 3 se presenta el desarrollo teórico para obtener el control de la posición angular 1

2 de la cámara. En la sección 4 se presenta la interfaz de usuario y el desarrollo del sistema físico, y por último en la sección 5 se presentan los resultados obtenidos. 2 CARACTERIZACIÓN DEL ACELEROMETRO El acelerómetro utilizado para este trabajo es el ADXL335, el cual es una acelerómetro analógico, ya que entrega un valor de voltaje para los ejes X,Y,Z. Su funcionamiento es el siguiente. El sensor es capaz de detectar la fuerza de gravedad que se ejerce sobre alguno de los tres ejes y enviar una señal analógica proporcional a dicha fuerza. De esta manera es posible saber en qué ángulo se encuentra el sensor, sin embargo si consideramos que el eje Z es paralelo a vector de gravedad que se ejerce sobre el sensor entonces no es posible detectar el movimiento angular que se ejerza sobre dicho eje. Para el desarrollo de este trabajo se considera solo el efecto del movimiento angular ejercido sobre los ejes X y Y. También se considera que solo se trabajará en un rango de 180 para ambos ejes. Para conocer el comportamiento del sensor se tomaron una serie de muestras de su salida para los ejes X y Y para diferentes ángulos, la tabla 1 muestra los resultados obtenidos de manera física. Tabla 1. Relación del ángulo con la salida. Ángulo Voltaje Al graficar los valores de la tabla 1 podemos observar que tan lineal es el comportamiento del sensor, la figura 1 muestra la gráfica obtenida. Figura 1. Grafica del comportamiento del sensor. 2

3 Una vez obtenida la caracterización del sensor es posible diseñar el programa que permita monitorear y controlar la posición angular. 3 DESARROLLO TÉORICO DEL SISTEMA Para poder desarrollar el programa es necesario tener bien definido que es lo que se desea hacer. Lo que se pretende es que una persona sea capaz de definir un ángulo deseado para los ejes X y Y y el sistema sea capaz de evaluar si el ángulo real de la cámara es igual al ángulo deseado y de no ser así compense el ángulo de la cámara por medio de actuadores hasta que el ángulo sea igual al deseado. Tomando en cuenta el criterio anterior se define la siguiente ecuación: (1) En donde se define como el ángulo de error, es el ángulo deseado asignado por el usuario y es el ángulo real de la cámara dado por el sensor en cualquiera de los ejes. Para obtener es necesario convertir el voltaje dado por el sensor. Utilizando los datos de la tabla 1 se puede definir la siguiente ecuación de conversión. ( ) ( ) (2) En donde es el voltaje actual dado por el sensor, es el voltaje mínimo dado por el sensor cuando el eje tiene 0 de diferencia con respecto al vector de gravedad y es el voltaje máximo dado por el sensor cuando el eje tiene 180 de diferencia con respecto al vector de gravedad. El ángulo indica cómo debe actuar el programa para mantener la cámara en el ángulo deseado, si = 0 entonces la cámara se encuentra en la posición deseada y no es necesario realizar ningún tipo de acción, pero si 0 entonces la cámara no se encuentra en la posición deseada y es necesario realizar una acción mediante los actuadores para llevar la cámara a la posición deseada. Ya que el sensor presenta una leve oscilación es necesario integrar una banda de histéresis para impedir que el programa este siempre tratando de llevar a la cámara a la posición deseada. 3

4 Entonces las condiciones que definen como se va a desarrollar el programa se presentan a continuación. Si Si (3) (4) (5) En donde R es el rango de la banda de histéresis que también es definida por el usuario, y se define como el ángulo que debe tener el actuador para compensar el error. Las condiciones (3),(4) y (5) se utilizan tanto para el eje X como para el eje Y. 4 DISEÑO DE LA INTERFAZ Y LA ESTRUCTURA FISICA Utilizando el entorno de Labview es posible realizar una sencilla interfaz en donde un usuario sea capaz de visualizar de forma gráfica la posición angular de la cámara y pueda ingresar los valores de los ángulos deseados y el rango para la banda de histéresis, además de la visualización del error en los dos ejes y las señales enviadas a los actuadores [1]. La figura 2 muestra la interfaz desarrollada para este trabajo. Figura 2. Pantalla desarrollada en entorno Labview. Para el diseño de la estructura física se tomó en cuenta el diseño de la figura 3 y que fue desarrollado utilizando el software de SolidWorks [2]. 4

5 Figura 3. Diseño de estructura física. En donde representan dos servomotores los cuales se controlan mediante una señal pwm que representa el ángulo en el que se posicionan, este ángulo se definió anteriormente como [3]. Ambos motores permiten que la cámara tenga un movimiento angular sobre los ejes respectivamente. En la figura 4 se muestra como quedó la estructura física con la cámara y el sensor acoplados [4]. Figura 4. Estructura física. Para la comunicación de la interfaz de computadora con los servomotores y el sensor se utilizó la tarjeta de adquisición de datos ARDUINO MEGA ya que Labview cuenta con la librería LIFA (Labview Interface For Arduino) que permite la comunicación con cualquier tarjeta Arduino [5]. 5

6 La figura 5 muestra la conexión de todos los elementos para este trabajo. Figura 5. Diagrama de conexión. En donde son dos capacitores cerámicos de 22 pf que disminuyen el ruido de las salidas outx y outy del acelerómetro. 5 RESULTADOS Para corroborar el funcionamiento del sistema, se ingresaron los siguientes valores: para el rango se introdujo el valor de 7, y para los ángulos deseados X y Y, se introdujo el valor de 90. La figura 6 muestra la interfaz con los valores obtenidos del sensor y la señal para los motores. 6

7 Figura 6. Interfaz de usuario en funcionamiento. La flecha roja en el indicador de grados muestra el ángulo dado por el sensor acoplado a la parte inferior de la cámara, mientras que la flecha azul indica el ángulo deseado ingresado por el usuario. La barra amarilla muestra la señal enviada al servomotor para compensar el error. Mientras el ángulo de error se mantenga dentro del rango no hay necesidad de realizar ningún tipo de acción, sin embargo, si se genera algún tipo de perturbación externa entonces, se genera una acción para compensar el error generado por dicha perturbación, en las figuras 7 y 8 se muestran los resultados del sistema al tratar de compensar el error generado por una perturbación externa. Figura 7. Perturbación sobre el eje 7

8 Figura 8. Perturbación sobre el eje Se observa que aunque hay un desplazamiento angular en la estructura, la cámara mantiene la misma posición angular de 90 en ambos ejes debido a la compensación angular efectuada por los servomotores. 6 conclusiones En este trabajo se presentó el desarrollo de un sistema de monitoreo y control para mantener la posición angular de una cámara utilizando la herramientas que proporciona la plataforma de Labview. Una parte importante es la interfaz de usuario, la cual debe mostrar de forma simple y entendible todos los datos que actúan en el sistema y que el usuario debe ser capaz de interpretar aun si no conoce o entiende el funcionamiento interno del programa. El diseño de la interfaz para este trabajo está pensado precisamente para cumplir con este punto pues muestra mediante indicadores gráficos el comportamiento del sistema y es la aportación más significativa de este trabajo. El uso de una interfaz como esta en aplicaciones reales de monitoreo y vigilancia con cámara en donde el punto de apoyo se encuentra en movimiento, permite el control de la posición desde una computadora por medio de un usuario que no necesita de entrenamiento previo para operar el sistema. REFERENCIAS [1] Tutorial de software de desarrollo de sistemas NI Labview disponible en: (ultimo acceso: 10 de marzo de 2014). [2] Tutorial de SolidWorks disponible en: (ultimo acceso: 20 de febrero de 2014). 8

9 [3] TESLABEM. (último acceso: 3 de mayo de 2014). [4] Logitech. (último acceso: 10 de junio de 2014). [5] José Manuel Ruiz Gutiérrez. Labview + Arduino, utilización de Labview para la visualización y control de la plataforma open hardware Arduino. 1 ra ed. Herramientas gráficas para la programación de Arduino