Capítulo 2 2.Elementos hardware del sistema
Introducción 2.1.Introducción En este capítulo se comentará todo lo relativo a los componentes físicos que conforman el sistema. Estos son los siguientes: Robot móvil ROMEO-4R. PC de control romeo4b. Tarjeta de PC integrado. Video cámara analógica. Unidad de Pan&Tilt. Los últimos tres elementos conforman lo que podría denominarse sistema de visión. A modo de resumen, la cámara capta las imágenes, que son digitalizadas por la digitalizadora, proporcionando al PC de visión (romeo4a) el punto de partida para llevar a cabo el seguimiento. El PC de visión controla la unidad Pan&Tilt, permitiendo posicionar la cámara hacia el objeto en movimiento. Los puntos obtenidos por el algoritmo de visión son transmitidos al PC de control (romeo4b), que se encarga de controlar los motores de tracción y dirección. La cámara va conectada directamente a la digitalizadora del PC de visión mediante cable coaxial, y es la forma en la que se obtiene el flujo de imágenes. A su vez, la cámara está soportada por una unidad de Pan&Tilt, cuyo control se realiza mediante una comunicación RS-232 con el romeo4a. La monitorización del movimiento dará lugar a las correspondientes consignas de control de la unidad como se verá en apartados posteriores. Por otra parte, debe haber comunicación entre romeo4a y el romeo4b y para ello se hace uso de sockets, ya que ambos se encuentran conetados a un hub que les proporciona acceso a la red local. Elementos hardware del sistema 7
ROMEO-4R 2.2.ROMEO-4R ROMEO-4R es un vehículo autónomo móvil desarrollado por el Grupo de Robótica Visión y Control del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad de Sevilla, siendo inicialmente un coche concebido para ser utilizado en la EXPO'92 para transportar a personas y que tiene una estructura muy parecida a los coches de los campos de golf y de fútbol. Sin embargo tras ser adquirido por el departamento se le ha añadido la mecánica y electrónica necesaria para que pueda ser utilizado como plataforma de investigación en navegación autónoma para exteriores. 2.2.1.Sistemas de alimentación El vehículo dispone de 6 baterías de 6V conectadas en serie que alimentan a un motor de tracción de corriente continua de 2 C.V. de potencia. La tracción se ejerce sobre las ruedas traseras mientras que la dirección se desarrolla con las ruedas delanteras, teniendo acoplado a la caña de dirección otro motor de corriente continua de 28W que se utiliza para mover eléctricamente la dirección del vehículo. Por otra parte comentar que el sistema de control se alimenta a 24 V de forma independiente por medio de 2 baterías de 12V puestas en serie. 2.2.2.Actuadores Los actuadores del vehículo son los 2 motores de corriente continua que se han descrito en el apartado anterior junto con 2 servoamplificadores que se utilizan para dirigir el movimiento de estos. Todo ello permite controlar la tracción y la dirección de ROMEO-4R. 2.2.3.Sensores El vehículo tiene incorporado un gran número de sensores, los cuales son: 1. Codificadores ópticos incrementales: se tiene instalado uno en el sistema de tracción que permite determinar el desplazamiento del vehículo y hacer una estimación de la velocidad del mismo. Mientras que el otro se encuentra instalado en el sistema de dirección y permite medir el giro de las ruedas. 2. Giróscopo: este sensor de navegación proporciona medidas de la velocidad angular de giro y por lo tanto mediante la integración de las mismas en el tiempo se puede conseguir el giro del vehículo y a partir de ahí la orientación de este sobre el plano del suelo. Elementos hardware del sistema 8
ROMEO-4R 3. GPS: con los codificadores ópticos se puede conocer tanto el giro como el desplazamiento y por lo tanto la posición actual del vehículo en cada momento, sin embargo se tiene el problema de la acumulación de errores y para distancias que no sean pequeñas estos errores son excesivamente grandes. Por ello se utiliza el sistema de posicionamiento global GPS, además el vehículo está preparado para utilizar GPS en modo diferencial (DGPS) que proporciona una mayor precisión de las medidas obtenidas. 4. Sonares: son sensores de presencia y proximidad, es decir, se utilizan para la detección de obstáculos próximos al vehículo. Son sensores basados en ultrasonidos y debido a que son parte importante de este proyecto fin de carrera se hablará de ellos más detalladamente en el siguiente capítulo. 5. Láser 2D: está situado en la parte delantera y permite generar un mapa bidimensional del espacio que hay en la parte frontal el vehículo, hay que destacar que este sensor tiene mucho más alcance y precisión que los sonares y que se puede utilizar para aplicaciones como la detección de obstáculos que utilizando los sonares sería mucho más compleja. 6. Cámaras: se dispone de 2 cámaras monocromáticas situadas en el techo del vehículo, una de ellas es orientable mediante un sistema pan&tilt, controlable electrónicamente, y la otra con uno manual. Con ellas se puede realizar visión estéreo artificial. 7. Sensor del ángulo del remolque: a ROMEO-4R se le puede acoplar un remolque y este sensor se utiliza para medir el ángulo de giro del remolque con respecto al eje longitudinal del vehículo. 2.2.4.Controladores ROMEO-4R dispone de varios controladores, los cuales están implementados en 2 ordenadores de tipo industrial y un controlador empotrado cuyo elemento principal es un DSP (Procesador Digital de Señal), todos situados en la parte trasera del vehículo. 1. romeo4a: es el controlador encargado de la parte de visión del vehículo. Hasta el inicio del presente proyecto fin de carrera, el romeo4a contaba con una placa instalada en el PC con 3 DSP's en paralelo que permiten el tratamiento de las imágenes en tiempo real. Este controlador no puede realizar directamente acciones de control. Sin embargo, está comunicado (por medio de una red Ethernet) con el otro PC industrial (romeo4b) que sí puede realizarlas, por lo tanto puede indicarle qué tipos de acciones debe tomar o simplemente pasarle la información para que decida. Elementos hardware del sistema 9
ROMEO-4R 2. romeo4b: este controlador se encarga de la lectura de todos los sensores, exceptuando las cámaras, y de realizar las acciones de control sobre el vehículo a partir del algoritmo implementado. Por otra parte ambos ordenadores están conectados a un router Wi-Fi que permite conectarse a ellos remotamente a partir de una red inalámbrica. Figura 2.1: Controladores implementados en PC's 3. Controlador empotrado: este controlador permite implementar algoritmos de control para ROMEO-4R con la ventaja con respecto a los controladores implementados en el PC de un menor peso, tamaño, consumo y coste. Este controlador al igual que romeo4b es capaz de leer de todos los sensores excepto las cámaras y aunque puede leer la información que proporciona el láser 2D, ya que se tienen puertos series sin utilizar, no está implementado en la actualidad debido a la gran capacidad de cálculo requerido para utilizarlo. Asimismo, se puede comunicar con cualquier PC a partir de un protocolo de comunicaciones elaborado por Víctor Manuel Blanco González (proyecto fin de carrera Controlador empotrado para vehículo autónomo ROMEO-4R ) a partir del puerto serie RS-232. Elementos hardware del sistema 10
ROMEO-4R Figura 2.2:Controlador empotrado basado en DSP I Figura 2.3: Controlador empotrado basado en DSP II Para una información más detallada de ROMEO-4R y del controlador basado en PC's, consúltese el proyecto fin de carrera Control automático de un vehículo autónomo bajo el sistema operativo GNU/Linux. Implementación de drivers y software de control realizado por Rafael Martín Agar Tirado. Y para una información más detallada sobre el controlador empotrado, consúltese los proyectos fin de carrera Controlador empotrado para vehículo autónomo ROMEO-4R realizado por Víctor Manuel Blanco González e Implementación del controlador basado en DSP del vehículo autónomo ROMEO-4R realizado por José Víctor Acevedo Sánchez. Elementos hardware del sistema 11
2.3.Arquitectura del PC de visión Sobre el PC romeo4a se tiene el sistema de visión en tiempo real. El sistema está compuesto por una digitalizadora Arvoo Picasso PCI 3C-Pro y una placa de PC que integra un microprocesador Pentium-IV a 2.4GHz. Figura 2.4: Esquema de la arquitectura del romeo4a Además del resto de elementos, se ha dispuesto una fuente interna de 24 V de continua con el fin de alimentar el PC con las baterías del vehículo. El PC de visión se encuentra dentro de un rack industrial de la misma apariencia que los existentes en el Romeo-4R. Se trata de un rack con un backplane pasivo en el que se insertan todos los elementos necesarios, y es a través de ese backplane por el que fluyen las comunicaciones entre los distintos dispositivos. El backplane dispone 4 slots PCI y 2 PCI-ISA, siendo a unos de estos últimos al que se conecta la placa que contiene el microprocesador. Además dispone de un brigde que permite el acceso de los últimos slots PCI al bus. El almacenamiento de datos se realiza en un disco duro de 80 GB, en el que se han instalado 3 sistemas operativos independiantes: Windows XP Professional, Linux Debian con los núcleos 2.4.18 y 2.6.7 y QNX 6.2.1A. Para ello se han realizado 4 particiones: una para cada sistema operativo y otra para Linux Swapp. El disco duro queda, pues, con la siguiente apariencia: Elementos hardware del sistema 12
Figura 2.5: Mapa de memoria En el MBR reside el programa GRUB, que se encarga de la gestión del arranque, permitiendo iniciar el sistema desde cualquier partición arrancable. 2.3.1.Placa microprocesadora La placa microprocesadora, es ésta la que lleva a cabo la gestión del sistema de visión y el procesamiento necesario. La placa en cuestión es una Advantech PCA 6186, en la que se integran un microprocesador Pentium-IV a 2.4 Ghz, bus a 400/533 Mhz, una tarjeta de red Ethernet Intel 82562 10 Base-T, puerto serie y expansión para un segundo, 2 puertos USB, puertos PS/2, etc. Esta tarjeta constituye el elemento principal del PC roemo-4a. La memoria RAM del PC va colocada directamente en la placa microprocesadora, y cuenta con 256MB DDR, pudiéndo soportar hasta 2GB de RAM. Se puede decir que en una sóla placa se dispone de un PC completo con arquitectura Intel. Este tipo de placas son muy adecuadas para entornos industriales debido a su robustez frente al ruido. Las características con las que cuenta la placa son, básicamente: Monitorización y alerta del estado del ventilador. Monitorización y alerta de temperatura. Elementos hardware del sistema 13
Monitorización y alerta de tensión. Arranque por módem. Arranque por LAN. Leds de información. Backup de la CMOS RAM. En la siguiente figura se puede observar un esquema de la placa: 2.3.2.Digitalizadora Figura 2.6: Esquema de la PCA 6186 Un dispositivo interno de vital importancia en el romeo4a es la digitalizadora. En todo sistema de visión se necesita tener disponibles las imágenes en formato digital para su correspondiente tratamiento por el sistema microprocesador. Para ello se tienen dos posibilidades: el uso de una Elementos hardware del sistema 14
cámara analógica conectada a una digitalizadora, o bien utilizar una cámara digital de forma que se tengan directamente las imágenes en el formato adecuado, y una interfaz digital de alta velocidad con el PC, como puede ser la conocida y cada vez más usada IEEE 1394 (FireWire). La opción por la que se ha optado es la primera de ellas por disponerse ya de cámaras analógicas instaladas en el vehículo, por lo que únicamente es precisa una digitalizadora. En concreto la Arvoo Picasso PCI 3C-Pro, cuya apariencia se muestra en la siguiente imagen: Figura 2.7: Digitalizadora Picasso PCI 3C-Pro La Picasso 3C-Pro cuenta con las siguientes características: Digitalizadora RGB de alta linealidad y bajo nivel de ruido. 2 canales de video RGB. Cada uno de estos canales puede ser configurado para el uso de tres cámaras monocromas sincronizadas, una por cada canal de color. Soporta 4 entradas adicionales de video compuesto (CVBS) o 2 de S-Video. Resolución de 24 bits. Canal de DMA de 4 MB. Formatos de datos: El video RGB puede ser almacenado en RGB565, RGBα555, RGB55α5, RGB24; el video compuesto en RGB32, RGB24, RGB15, RGB8, YUV444, YUV422, YUV411, YUV8 e YUV8-GRAY. 2 entradas y 2 salidas digitales: estas entradas y salidas cuentan con aislamiento óptico y son controladas por software. Pueden utilizarse para la gestión de eventos externos, tales como la variación de iluminación y disparo de la cámara. Las entradas pueden ser programadas como interrupciones obtener un tiempo de reacción más rápido. Elementos hardware del sistema 15
En la siguiente figura se muestran los conectora de que dispone la digitalizadora. El conector de entrada de video es un SUB-D15 y el conector GPIO (General Purpose Input / Output connector) es un SUB-D9: Figura 2.8: Vista posterior de la digitalizadora La alimentación de la placa puede ser proporcionada a través del bus PCI o bien de forma externa mediante el conector GPIO. La digitalizadora va conectada al bus PCI, a través del cual manda los datos al microprocesador. La transferencia de información puede hacerse de distintas formas: Por demanda: el microprocesador se encarga de pedir la imagen y de pasarla a memoria, lo cual conlleva una carga computacional elevada si la aplicación requiere de un frame rate alto. Directamente a la VGA. En el caso de no necesitarse procesamiento de las imágenes, sino mera viasualización, existe la posibilidad de transferirlas directamente a la VGA del PC, con lo que se consigue una descarga computacional total por parte del microprocesador en esta tarea, pudiéndose dedicar a otras sin ralentizarse. DMA (Direct Memory Access). La unidad de DMA tansfiere la información por lotes a la memoria RAM del PC tomando el papel de master del bus, sin necesidad de intervención por parte del microprocesador. Este método permite tener acceso a las imágenes para trabajar con ellas sin necesidad de una pérdida de tiempo de procesamiento en el proceso de adquisición. Esta útima alternativa es la que se ha adoptado en el proceso de adquisición. Mediante el siguiente diagrama de bloques se muestra la arquitectura de la digitalizadora: Elementos hardware del sistema 16
Figura 2.9: Arquitectura interna de la digitalizadora 2.3.3.Vídeo cámara La cámara instalada en el Romeo-4R es la Jai CV-M50, que es una cámara CCD monocroma de alto rendimiento, con un encapsulado compacto. Posee una función de disparo de alta velocidad y disparo aleatorio asíncrono que permite capturar imágenes de alta calidad de objetos en movimiento rápido. Es adecuada para aplicaciones industriales tales como inspección y medida. Sensor de Alta resolución 1/2" HAD IT CCD. Extrema sensitividad - 0.5 Lux a F=1.4. Rango dinámico mejorado y relación señal/ ruido superior a 58dB. Funciona en formato entrelazado y no entrelazada, con posibilidad de integración en modo Campo o Cuadro. Shutter Electrónico de (1:50 a 1 :10000) y posibilidad de Reset Asíncrono de hasta 1:100000. Posibilidad de trabajar con largo tiempo de exposición, para aplicaciones con baja iluminación. Posibilidad de trabajar con sincronismo HD/VD de entrada o salida.. Elementos hardware del sistema 17
Dispone de señal de pixel clock para aplicaciones donde se necesite precisión sub-pixel. Montura C. La alimentación de la cámara es de 12 V de continua, y se le proporciona a mediante las baterías del vehículo. A continuación se muestra una vista de la cámara y una gráfica que describe la sensibilidad espectral de la misma: Figura 2.10: Vistas de la cámara Elementos hardware del sistema 18
Figura 2.11: Densidad espectral Como se puede observar en la gráfica, la cámara posee un ancho de banda de 3dB que ocupa la mayor parte del espectro visible, que va desde los 400 a los 780 nm. Es en el rojo lejano en el que comienza a degenerar la sensibilidad. 2.3.4.La unidad pan&tilt La unidad Pan&Tilt controlada por el PC de visión es la PTU46-17.5 del fabricante Directed Perception Inc., proporciona el mecanismo de movimiento y orientación de la cámara al objeto móvil que se pretende seguir. Está unidad permite desacoplar el movimiento de la cámara y del vehículo, ya que no permanecen solidariamente unidos. De esta forma es más fácil conseguir que no se pierda el objeto del campo de visión, pudiendo ser diferentes las velocidades de ambos subsistemas. El Pan&Tilt consta de un controlador y la unidad que integra dos motores paso a paso para el posicionamiento. Las características más importantes de este elemento son: Control a través de interfaz RS-232. Capacidad de carga superior a 1.8 Kg. Sobrepasar este límite puede provocar la perdida de sincronismo en los motores, por lo que incurriría en un mal funcionamiento. Velocidades superiores a 300º/s. Elementos hardware del sistema 19
Alta resolución. Control preciso de las magnitudes cinemáticas. Posibilidad de cambio de velocidad y posición mientras se ejecuta un movimiento en curso. Autocalibración tras reset. Control de consumo desde el PC. Dos modos de control: Basado en comandos ASCII, lo que supone un control simple. Basado en comandos binarios mediante programas de control. Supone un control eficiente y rápido. Alimentación regulada o no regulada. 2.3.4.1.Conexionado del Pan&Tilt La unidad Pan&Tilt es conectada al controlador Pan&Tilt, como puede verse en la figura. La alimentación de la unidad propiamente dicha proviene del controlador, que puede ser alimentado de diversas formas. De forma genérica, las fuentes a usar pueden ser entre 11 y 30 voltios DC para fuentes no reguladas, o bien entre 11 y 40 voltios DC para fuentes reguladas. El controlador internamente está constituido por tres microcontroladores HC11 de Motorola en dos bucles de control distintos. Uno de estos microcontroladores cierra el bucle superior actuando de planifcador y supervisor sobre los otros dos. Estos últimos cierran el bucle de bajo nivel actuando sobre los motores. La tarea global del controlador es la decodificar los requerimientos enviados desde el ordenador mediante comandos vía RS-232, haciéndole llegar a la unidad las órdenes correspondientes deposición. Asimismo, el controlador Pan&Tilt puede ser conectado a otros controladores a través de un puerto RS-485, pudiendo un sólo ordenador controlar múltiples unidades Pan&Tilt con un único puerto serie. El esquema de conexiones se puede ver en la siguiente figura: Elementos hardware del sistema
Figura 2.12: Conexión del Pan&Tilt al sistema de visión A la hora de realizar el conexionado, deben tenerse presentes una serie de puntos. Estas recomendaciones son tremendamente importantes, ya que el no llevarlas a cabo puede provocar daños de índole grave tanto en la unidad como en el controlador Pan&Tilt. Estos consejos son: Cerciorarse de la correcta polarización de la alimentación. Igualmente, debe prestarse mucha atención a que el tipo de fuente de alimentación esté dentro de las aptas para el uso. En este sentido, el controlador es bastante robusto, pudiendo soportar distintos tipos de fuentes. No obstante, para cada uno de estos tipos, es necesario utilizar unas determinadas conexiones de alimentación. Es importante no extraer los cables de alimentación, de control ordenador-controlador ni de control controlador-unidad Pan&Tilt mientras el controlador esté encendido. Esto puede ocasionar graves averías al abrirse de forma repentina alguno de los bucles internos. La conexión controlador-ordenador, como se ha comentado con anterioridad, se hace a través del puerto serie del ordenador, es decir, con el estándar RS-232. Para realizar tal conexión es necesario lo que se suele denominar cable modem-nulo: Figura 2.13: Conexión del controlador del Pan&Tilt y el PC Elementos hardware del sistema
Otro aspecto a tener en cuenta es el colocar de la forma más equilibrada posible la carga sobre la unidad Pan&Tilt. Es decir, el centro de masas de la cámara, en este caso, debe estarlo más próximo posible al punto de anclaje de ésta sobre la unidad. En caso de no hacerse así, el momento de inercia desplazado de la carga puede provocar cabeceos en los movimientos, en el mejor de los casos, o incluso averías en los motores, en el peor de ellos. 2.3.4.2.Control de la posición y la velocidad Con referencia al control de la posición, destacar el hecho de que el posicionamiento puede efectuarse en coordenadas absolutas, o bien de forma relativa a la posición actual. La forma de realizar uno u otro posicionamiento se detallará en lo sucesivo. También debería ponerse en relieve la posibilidad de cambiar las referencias de posición en vuelo, esdecir, mientras se desplaza a una posición anteriormente indicada. Respecto al control de la velocidad, este dispositivo permite un control muy preciso tanto de la velocidad como de la aceleración. Como se muestra en la figura, el límite superior de velocidad y el límite inferior de velocidad determinan las cotas de velocidades de los ejes pan y tilt no estacionarias. La velocidad base especifica la velocidad a partir de la cual los ejes pan y tilt pueden arrancar un movimiento desde una posición parada sin pérdida alguna de sincronismo; esto es más una función de los motores que una característica de la carga. La velocidad base puede ser considerada como aquella que el dispositivo alcanza de forma instantánea; puesto que esto supone tener una aceleración infinita, cosa que no es cierta, esa instantaneidad será tanto más real cuanto menor sea el valor de esta velocidad. Figura 2.14: Cronograma de las velocidades de la unidad Pan&Tilt Para lograr velocidades superiores a esta velocidad base e inferiores al límite superior de velocidad, será necesario que el controlador proporcione una determinada aceleración que será la Elementos hardware del sistema
que fije la forma trapezoidal de la curva de velocidad. Exactamente igual ocurre en el caso de desaceleración desde una determinada velocidad hasta la velocidad base. En la figura 2.12 se aprecian dos casos distintos de aceleraciones. En el primero, el eje experimenta una aceleración infinita hasta alcanzar la velocidad base. Tras ésta, acelera a ritmo constante hasta alcanzar la velocidad deseada. Cuando el sistema estima oportuno comenzar a frenar para que finalmente el eje alcance la posición deseada, comienza a desacelerar al mismo ritmo que antes aceleraba. En el segundo de los casos se muestra la situación en la que el sistema no tiene sufciente tiempo de aceleración para alcanzar la velocidad deseada antes de estimar que debe comenzar a reducir la velocidad para llegar a laposición ordenada; de esta forma, comienza a decelerar antes de alcanzar la velocidad constante de vuelo. En caso de no hacerlo así, el eje no se posicionaría en el punto ordenado, puesto que se pasaría. Si la velocidad ordenada no supera la velocidad base, y siempre que ésta última no sea muy elevada (por las consideraciones hechas anteriormente en esta misma sección), ésta sería alcanzada de forma inmediata. Al igual que ocurría con la posición, la velocidad es un parámetro que puede cambiarse en vuelo, mientras se desplaza. En este hecho será de vital importancia para realizar movimientos suaves, como se verá en capítulos sucesivos. Si se modificara la dirección del desplazamiento de esta forma, el controlador de la unidad Pan&Tilt efectuaría las desaceleraciones, cambios de dirección y aceleraciones oportunas para alcanzar el nuevo punto de la forma más rápida y eficiente posible, considerando para ello la carga colocada. Puesto que la velocidad, la aceleración y la posición son controladas de forma precisa, se puede estimar sus valores a lo largo del tiempo de forma bastante certera. 2.3.4.3.Comandos En esta sección será descrito brevemente el juego de instrucciones del Pan&Tilt. A través de este resumen de las diversas órdenes, se podrá obtener una idea de las posibilidades de este tipo de dispositivos. Como se ha comentado en anteriores ocasiones, el controlador permite una comunicación en dos modos diferentes: Formato Binario. Elementos hardware del sistema
Formato ASCII. En el caso en que el control se realice desde un terminal, puede desplegarse un completo menu de comandos introduciendo el carácter?. Seguidamente se verán ambos modos. Comandos en formato binario Es posible establecer entre el ordenador y el controlador Pan&Tilt un interfaz binario de comunicaciones. Dado que este método permite una transferencia de información más eficaz y con un ancho de banda mayor, será el utilizado. Para hacer uso de este forma de comunicación se utilizará una interfaz realizada en lenguaje C para tal efecto. En capítulos posteriores será detallada esta forma de conexión. Comandos en formato ASCII Para el completo entendimiento de los comandos en formato ASCII de la unidad Pan&Tilt que han quedado recogidos en el apendice A, a continuación se muestran las convenciones que en ellos se utilizan, como son: <delim> Delimitador: puede ser un espacio,, o un retorno de carro. <valor> En caso de tratarse de órdenes de posicionamiento, serían <posiciones>. Si fuesen de velocidad, <posiciones/segundo> y si fuesen de aceleración, <posiciones/segundo 2 >. Elementos hardware del sistema