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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIER~A Y TECNOLOG~AS AVANZADAS
Vehículo Terrestre de Exploración
Trabajo Terminal
Que para obtener el Título de
"INGENIERO EN MECATRÓNICA"
Presentan: Ávila Montaño Jéssica Raquel
Carrillo García Abel Cienfuegos Garcia Bernardo Alberto
Vázquez Flores Omar Bernardo
Asesores: Ing. Emilio Nicéforo Brito Martinez
M. en C. Brahim El Filali
Presidente: Dr. José Alfredo Rosas Flores
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIER~A Y TECNOLOG~AS AVANZADAS
Vehículo Terrestre de Exploración
Trabajo Terminal
Que para obtener el titulo de
"INGENIERO EN MECATR~NICA"
Presentan: Ávila Montaño Jéssica Raquel
Carrillo García Abel Cienfuegos García Bernardo Alberto
Vázquez Flores Omar Bernardo
Asesores:
M. en C. ~ r o d q a f a b l Carvallo Dominguez
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INSTITUTO POLIT~CNICO NACIONAL -A. Unidad Profesional Interdisaplinana en Ingenieria y Tecndogias Avanzadas .O “3
MECATRONICA
Resumen
Introducción
Objetivo
Justificación
Planteamiento del problema
Solución del problema
CAP~TULO 1 VEH~CULOS TELEOPERADOS
introducción
1 .l. Historia de la teleoperación
1.2. Tipos de vehículos exploradores
1.2.1 Vehículos terrestres
1.2.2 Vehículos de ruedas
1.2.3 Configuración Ackerman
1.2.4. Sistema de suspensión
1.2.5. Resistencia a la rodadura
1.2.6. Transmisión y el diferencial
1.3 Vehlculos teleoperados
1.4 Vehículos exploradores teleoperados, tecnología existente
1.4.1 Vehículo Laimuz
1.4.2 Explorador espacial
1.5 Microcontroladores
1.5.1 Concepto de microcontrolador
1 51.2. Arquitectura interna
1.5.3 Lenguaje máquina
1.6 Servomotores
lntroduccibn
2.1 Comunicación inabmbrica
2.2 Protocolos TCP y UDP
2.3 Transmisión del video
i
i i
i i
ii
i i
iii
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INSTITUTO POLIECHICO NACYWUL ,"A Unidad Profesional Interdisciplinana m hgmiena y Tecndogias Avanzadas * J + -
MECATR6NlCA
4.1.4 Entrada
4.1.5 Procesamiento
4.1.6 Salida
4.1.7 Cliente Java
4.1.8 Reproductor Java Media Framework (JMF)
CAP~TULO 5 INTEGRACIÓN DE SISTEMAS
Introducción
5.1 Funcionamiento del Vehículo Terrestre de Exploración
5.2 Pruebas con el Vehículo Terrestre de Exploración
5.2.1 Velocidad del vehículo
5.2.2 Transmisión de audio y vídeo
Conclusiones
Apkndice
Costos del proyecto
Transmeta Crusoe (computadora embebida)
Tarjeta de PC del cliente de Orinoco 11 b
Modelo: PICA 6F84A-20Ip
Dibujo explosivo del vehículo Clod Buster 4WD
Glosario
Bibliografía
Referencias electrónicas
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INSTITUTO P O C ~ W(X»UL Unidad Profesional lnterdisciplinaria m y Tecndogias Avanzadas
MECATRONICA
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Vehículo de ruedas
Figura 1.2 Vehículo de cadenas
Figura 1.3 Vehículos articulares
Figura 1.4 Configuraci6n Ackerman
Figura 1.5 Resistencia a la rodadura
Figura 1.6 El diferencial
Figura 1.7 Elementos principales de un sistema teleoperado
Figura 1.8 Vehiculo Laimuz
Figura 1.9 Opportunity
Figura 1.10 Esquema de un microcontrolador
Figura 1.1 1 Servomotor
Figura 2.1 Capas del modelo OS1
Figura 3.1 Blackfoot Xtreme 2x4
Figura 3.2 Xb2 Over Lander
Figura 3.3 Monstertruck
Figura 3.4 Clod Buster 4WD
Figura 3.5 Diseño de eslabón
Tabla 3.1 Coeficientes de fricción de rodadura
Figura 3.6 PICA 6F84A
Figura 3.7 Pulsos enviados al servomotor
Figura 4.1 Funciones realizadas por el servidor Java
Figura 4.2 Funciones realizadas por el cliente Java
Figura 4.3 Modelo de procesamiento para datos multimedia
Figura 4.4 Funciones realizadas por el cliente Java
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INSTITUTO POCmCIIIC -3N- Unidad Profesional Interdisadn3~3 ? -?e-? v'ecmbgias Avanzadas
MECATROa:'CA
Figura 5.1 Estructura mecánica Clod Buster 4VVü
Figura 5.2 Control de servornotores
Figura 5.3 Comunicación Cliente-Servidor
Tabla 5.1 Tabla de velocidad sin carga y en concreto
Tabla 5.2 Tabla de velocidad con carga y en césped
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MECATRONYCA
Resumen
En el presente reporte se describe el desarrollo de un vehículo teleoperado de
exploración terrestre, el cual está orientado a transitar en sitios donde se requiera
visualizar el entorno, el vehículo se controla a través de señales digitales para ampliar
su radio de operación, el cual depende del alcance de la red inalCImbrica que se vaya a
utilizar.
El control de velocidad y dirección de los servomotores del vehículo, se realizan
mediante un microcontrolador, programado en Lenguaje Ensamblador, el cual codifica
la señal enviada por el operador y la modula para que pueda ser ejecutada por el
servomotor.
Para la adquisición del vídeo, al vehículo se le implementa una cámara web, la cual
captura las imágenes del entorno a explorar para ser almacenadas y codificadas
mediante un programa desarrollado en Lenguaje Java en una computadora embebida
al vehículo, posteriormente se envían a la computadora del operador mediante red
inalámbrica, por medio del protocolo de la familia TCPIIP, asta comunicación sigue el
modelo cliente-servidor.
The present report describes the prototype vehicle of exploration, which is oriented to
journey in sites where it is required to visualize the surroundings, this vehicle is tried to control through
digital signs to extend its radius of operation, which depends on the reach of the radio network that is
going to be to use.
The control of speed and direction of the servomotors of the vehicle, are done by means of a
microcontroller, programmed in assembly language, who codifies the signal sent by the operator and
modulates to be executed by the servomotor.
For the acquisition of the video, a web cam is implemented to the vehicle, which captures the images of
the surroundings to explore for being stored and being codified by means of a program developed in Java
Language in an absorbed computer to the vehicle, later they are sent to the computer of the operator by
means of wireless network, by means of the protocol of family TCP/IP, this communication follows the
model client-server.
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MECATRONICA
Introducción
Para el desarrollo del proyecto se utiliza un vehículo con un sistema de locomoción a
base de ruedas, configuración Ackerman, al cual se le adapta un sistema de
adquisición de video, utilizando como receptor de imágenes una cámara web, la cual
guarda los datos en una computadora embebida al vehículo y transmite la información
mediante red inalámbrica a otra computadora para ser visualizada por el operador.
Para el control de la dirección del vehículo, el operador ingresa la instrucción a su
computadora, la cual transmite la información a través de red inalámbrica, para ser
recibida por la computadora embebida al vehículo, y manda la señal digital al
microcontrolador, el cual genera una señal moduladora de ancho de pulso, que sirve
para controlar la posición de la flecha del servomotor.
Objetivo
Ampliar el alcance de operación de un vehículo destinado a la exploración terrestre,
digitalizando su sistema de transmisión de señales, utilizando una interfaz visual para
teleoperar el vehículo en sitios en donde no puede estar presente el operador.
Justificación
Debido a la necesidad que existe actualmente para desarrollar tecnología propia en el
Cirea de la exploración de terrenos de difícil acceso, se plantea desarrollar un Prototipo
de Exploración Terrestre, perteneciente al Centro de Servicios Experimentales del
Departamento de Control Automático del CINVESTAV, capaz de teleoperarse de
manera sencilla y a un bajo costo. Así mismo se pretende dejar una base flexible para
que posteriormente se continúe con el desarrollo del prototipo.
Planteamiento del problema
El vehículo Clod Búster 4WD, perteneciente al Centro de Servicios Experimentales del
Departamento de Control Automático del CINVESTAV, tiene un sistema de
transmisión de señales a través de radio, dicho sistema presenta un alcance de
operación limitado de aproximadamente 6 metros de distancia. Por otra parte la
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MECATR~N~CA
calidad de imagen y la velocidad de transmisión de señales, son insuficientes para la
exploración terrestre.
Solución del problema
Modificar la forma de operación de un vehiculo terrestre operado por radiocontrol,
realizando la comunicación mediante red inalámbrica, para así lograr una mejora en la
calidad de imagen y en la velocidad de transmisión de vídeo.
El sistema de operacibn del prototipo se efectúa utilizando un vídeo, que se obtiene
por una cámara web, la cual guarda la información en la computadora embebida al
vehículo y esta última transmite la señal por red inalámbrica a la computadora del
operador.
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MECATR~NICA
CAP~TULO 1 VEH~CULOS TELEOPERADOS
Introducción
Un vehículo teleoperado es aquél que puede ser controlado por un usuario desde una
estación remota.
- En este capítulo se hace mención de algunos vehículos teleoperados desarrollados I - - .
dentro del área de investigación, puntualizando sus características físicas y funcionales
más importantes.
En la parte mecánica, se describen los vehículos terrestres, el arreglo de ruedas, la
resistencia a la rodadura y la trasmisión con que cuenta el vehículo a desarrollar.
Finalmente se menciona el funcionamiento del servomotor de radiocontrol, las
características internas de un microcontrolador, así como al Lenguaje de programación,
que se utiliza para enviar instrucciones al microcontrolador y éste ejecute una tarea
determinada.
1.1 Historia de la teleoperación
Desde tiempos remotos, el hombre ha utilizando distintas herramientas para poder
aumentar el alcance de su capacidad de manipulación. En un principio, no se trataba
más que de utensilios rústicos para satisfacer las necesidades básicas del ser humano.
En la actualidad existen dispositivos más complejos, como las pértigas, que accionando
un enganche o pinza a distancia, permiten alcanzar objetos que se encuentran en
lugares de difícil acceso, pero no sólo se han utilizado herramientas para aumentar la
capacidad de manipulación en cuanto a distancia se refiere.
Estos desarrollos desembocaron finalmente en lo que se conoce como sistemas de
teleoperación maestro-esclavo, en los que un manipulador denominado esclavo
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Unidad Profesional Interdisciplinana en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas 91 :? MECATR6NICA
reproduce fielmente los movimientos de un dispositivo o manipulador maestro,
controlado a su vez manualmente por un operador humano.
Se podrían considerar los primeros efectos en teleoperación cuando en 1948 se
desarrolla el primer sistema de manipulación maestro-esclavo, en el que ambos
manipuladores se encontraban acoplados mecánicamente con el fin de manipular un
material extremadamente radiactivo. A partir de estos momentos se desarrollan
manipuladores teleoperados de tipo eléctrico y controlado mediante servomotores.
El área de acción de la teleoperación cada vez es más grande y va adquiriendo mayor
importancia, las aplicaciones en la actualidad pueden ir desde la diversión y el
entretenimiento hasta el rescate de personas en peligro.
En los sistemas de teleoperación, la intervención del operador humano muchas veces
es imprescindible, en muchos casos, el operador está físicamente separado, es por tal
motivo que se requiere de un sistema de telecomunicación, entre los dispositivos que
utilizan directamente el operador y el sistema de control local del sistema.
La intervención del operador puede producirse en muchas formas diferentes, desde la
teleoperación directa de los actuadores de las articulaciones, hasta la simple
especificación de movimientos, o incluso de tareas, que se realizan de manera
automática en el entorno remoto.
Un importante avance en las tecnologías intrínsecas a la teleoperación, como son los
sistemas de telecomunicaciones, y la realidad virtual hacen un notable avance en las
aplicaciones en cuanto a teleoperación se refiere, se comienza a entrar en los ámbitos
de la telecirugía, en los que la precisión es muy importante, por otro lado se tiene la
teleoperación de vehículos exploradores en el espacio y en misiones de rescate entre
otras.
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MECATRdMlCA
1.2 Tipos de vehículos exploradores
Se pueden encontrar diferentes tipos de vehículos exploradores, los cuales pueden
desplazarse en diferentes entornos, dentro de los cuales se encontró la siguiente
clasificación:
h Terrestres
De ruedas
Articulares
De orugas
h Acuáticos
h Aéreos
3 Espaciales
1.2.1 Vehículos terrestres
'i. Los vehículos de ruedas son los más populares (ver figura 1 . A ) , ya que son más
sencillos de construir y la carga que pueden transportar es relativamente mayor.
Tanto los vehículos basados en cadenas, como en articulaciones, generalmente
se pueden considerar más complicados y pesados que los vehículos de ruedas,
para una misma carga Útil. Normalmente un vehículo de ruedas podrá
sobrepasar un obstáculo que tenga una altura no superior al radio de sus
ruedas.
Figura 1.1 Vehiculo de ruedas
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MECATRONICA
> Vehículos con tracción de orugas (ver figura 1.2), para los vehículos que vayan a funcionar en un entorno natural, las orugas son una opción muy buena, porque
permiten al vehículo superar obstáculos relativamente mayores, como piedras o
arena.
El principal inconveniente de las orugas es su deslizamiento sobre el terreno al
avanzar y al girar. Si la navegación se basa en ubicar la posición del vehículo y
el cálculo de posiciones futuras sin error, entonces las orugas acumulan tal
cantidad de error que hace inviable la navegación por este sistema, debido al
deslizamiento que acumulan.
Figura 1.2 Vehiculo con cadenas
9 Vehículos articulares (ver figura 1.3), potencialmente los exploradores articulares
pueden superar con mayor facilidad los problemas de los terrenos irregulares.
Es un sistema más complejo, principalmente por el número de grados de libertad
que requieren los sistemas articulares. Cada extremidad necesita como mínimo
un par de motores, lo que produce un mayor costo económico, así como una
mayor complejidad en construcción y menor fiabilidad.
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MECATRONICA
Figura 1.3 Vehiculos articulares
1.2.2 Vehículos de ruedas
Los vehículos de ruedas son relativamente fáciles de controlar, tienen pocos problemas
para mantenerse en contacto con la superficie, usan menos energía por unidad de
distancia y son más veloces que los de extremidades. Los vehículos de ruedas
solamente pueden utilizarse sobre terrenos relativamente lisos y sólidos, si se quiere
utilizar el vehículo en terrenos irregulares las ruedas deben tener un tamaño mayor que
los obstáculos encontrados. El arreglo más común es de cuatro ruedas, éstas son
colocadas en posición rectangular en el chasis del vehículo y es necesario un sistema
de suspensión para asegurar que las ruedas estén en contacto con la superficie todo el
tiempo. Cuando el vehículo se desplaza en línea recta las cuatro ruedas tienen que
girar a la misma velocidad, en cambio al momento de dar vuelta las ruedas interiores
giran más lento que las ruedas exteriores.
1.2.3 Configuración Ackerman
La configuración Ackerman consiste en cuatro ruedas paralelas de tracción, de las
cuales dos son para la dirección, está configuración permite que la rueda delantera
interior en un giro tenga un ángulo ligeramente más agudo que la exterior evitando el
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MECATRONICA
derrape de las ruedas y así asegurar un buen sistema de tracción, incluso en
terrenos inclinados.
Como se puede apreciar en la figura 1.4, las normales a ambas ruedas se cortan en un
punto, que se encuentra sobre la prolongación del eje de las ruedas traseras. Así, se
puede comprobar que las trayectorias de ambas ruedas para ángulos de giro
constantes son circunferencias concéntricas.
La relación entre los ángulos de las ruedas de dirección (ver figura 1.4) viene dada por
la ecuación de Ackerman:
cot 8, - cot 8, = d
(Ecuación 1) 1
donde:
8, = ángulo relativo de la rueda interior
8, = ángulo relativo de la rueda exterior
I = separación longitudinal entre ruedas
d = separación lateral entre ruedas
Figura 1.4 Configuración típica Ackerman.
1.2.4 Sistema de suspensión
Los sistemas de suspensión están formados por elementos elásticos que pueden ser
ballestas, barras de torsión o muelles, de ésta forma la unión de las ruedas al conjunto
del coche no es rígida. La función de la suspensión y el amortiguamiento es permitir
que las ruedas se adapten a la superficie del terreno y así absorber los choques o
sacudidas que reciben las ruedas al circular sobre irregularidades del terreno.
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MECATRONICA
Los vehículos pueden sufrir fundamentalmente tres tipos de oscilaciones durante la
marcha:
9 Cabeceo, se debe a las fuerzas de inercia durante la aceleración o frenado que
provocan una oscilación en torno al eje transversal del coche.
9 Balanceo, se debe a la fuerza centrífuga al tomar una curva y es una oscilación
en torno al eje longitudinal del coche.
9 Rebote o movimiento longitudinal del chasis.
El movimiento de un coche se estabiliza por tres elementos: los neumáticos que son los
que primeramente absorben parte de los impactos, los muelles y los amortiguadores,
siendo estos los más importantes.
Los muelles, o resortes helicoidales, son elementos elásticos deformables que
sostienen el peso del vehículo y su misión es absorber los impactos que sufren las
ruedas al colisionar sobre las irregularidades del terreno. Si los muelles estuvieran
solos, cuando la rueda recibiera el impacto, éste se transmitiría al muelle que se
comprimiría absorbiendo dicho impacto, a esto se llama compresión. Una vez
comprimido el muelle, este ha de "devolver" la energía recibida y tenderá a volver a su
forma inicial, produciéndose la extensión, pero si ésta no se controlara sería muy
brusca, la rueda rebotaría sobre el terreno y se produciría una sucesión de
compresiones-extensiones en movimientos oscilatorios que podría provocar saltos de
las ruedas, lo que sería perjudicial para la motricidad y estabilidad del coche. Ésta
acción adicional no es deseable pues ocasiona incómodos movimientos. Para reducir
este exceso de oscilaciones se utilizan los amortiguadores.
1.2.5 Resistencia a la rodadura
Si una rueda o un rodillo soportan una carga vertical sobre una superficie horizontal
rígida, una fuerza horizontal, por pequeña que sea, harán que la rueda o el rodillo
rueden sobre la superficie. Sin embargo, si un rodillo rueda sobre una superficie
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deformable, encuentra resistencia al movimiento por el hecho que la superficie
inmediatamente delante de la rueda se deforma.
En la figura 1.5 se ha dibujado un rodillo que soporta una carga vertical W. Sea P una
fuerza horizontal que hace que el centro del rodillo se mueva a velocidad constante.
Figura 1.5 Resistenda a la rodadura
Puesto que la superficie sobre la cual rueda el rodillo se deforma bajo éste, la presión
entre el rodillo y la superficie está distribuida sobre el área de contacto. La presión
resultante o reacción de la superficie sobre el rodillo para algún punto B situado en el
área de contacto, (figura 1.5), puesto que la velocidad del rodillo es constante, las tres
fuerzas que actúan sobre él, están en equilibrio y por consiguiente, la reacción R de la
superficie sobre el rodillo tiene que pasar por el centro O de éste. Tomando los
momentos de rotación se tiene el momento de rotación en el punto B, dado por M , :
(Ecuación 2)
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MECATRdNlCA
Como la depresión casi siempre es pequeña OA es aproximadamente igual a r, siendo
r el radio del rodillo. Utilizando ésta aproximación y designado AB por a, el valor de P
será:
(Ecuación 3)
1.2.6 Transmisión y diferencial
La transmisión es una de las partes mecánicas más importante de los vehículos. Como
su nombre indica, su misión es transmitir o enviar el movimiento del motor a las ruedas.
En los vehículos eléctricos el movimiento del motor se transmite mediante el piñón de
ataque a la corona principal y eso supone una reducción en el número de revoluciones
del motor. La corona principal va unida mediante un eje a otro engranaje. En el caso de
los coches de tracción trasera, el engranaje es generalmente un piñón que engrana con
uno o más piñones, que a su vez transmitirán su movimiento circular al diferencial, y
éste a las ruedas.
En el caso de los vehículos de tracción en las cuatro ruedas, el eje de la corona irá
unido generalmente a una polea que mediante unas correas trasmitirá su movimiento a
los dos diferenciales.
El diferencial recibe la potencia del motor a través del eje de transmisión y la transmite
a las ruedas a través de los dos semiejes. El diferencial, (ver figura 1.6), permite que
las ruedas de un mismo eje giren a velocidades diferentes y transmitiendo a ellas,
aproximadamente, la misma fuerza. Cuando se recorre una curva, la rueda del lado
interior de la curva recorre una distancia notablemente inferior a la de la rueda externa.
Si no existiera el diferencial para compensar esta diferencia, el resultado sería que las
dos ruedas tendrían que girar a la misma velocidad haciendo que la del lado interno
terminará por patinar y así perder tracción.
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MECATRONICA
Figura 1.6 El diferencial
1.3 Vehículos teleoperados
Existen muchas circunstancias en las cuales no es conveniente emplear personas para
la realización de algunas labores, debido al alto riesgo al que se exponen; por esta
razón se han desarrollado diversas herramientas o equipos que permiten reemplazar al
hombre al realizar estas operaciones a distancia. Dentro de estos equipos se
encuentran los vehículos teleoperados.
Los vehículos teleoperados son aquellos controlados por un usuario a distancia desde
una estación remota, este tipo de manejo supone una ventaja desde el punto de vista
de la protección y seguridad del usuario, ya que en caso de realizar trabajos en
ambientes inseguros, como en el manejo de sustancias potencialmente peligrosas,
como químicos o explosivos, no se arriesga su integridad física.
El sistema de teleoperación consta, básicamente, de los siguientes elementos, (ver
figura 1.7):
& Operador o teleoperador: persona que realiza a distancia el control de la
operación.
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MECATRÓNICA
9 Dispositivo teleoperado: Es el dispositivo que se encuentra en la zona remota y
que está siendo controlado por el operador.
9 Interfaz: conjunto de dispositivos que permiten la interacción del operador con el
sistema de teleoperación. Se considera al manipulador maestro como parte de la
interfaz, así como a los monitores de vídeo, al sistema de reconocimiento de
voz, o a cualquier otro dispositivo que permita al operador mandar información al
sistema y recibir información del mismo.
9 Control y canales de comunicación: conjunto de dispositivos que envían y
reciben el conjunto de señales que se transmiten entre la zona remota y la local.
Generalmente se contará con una o varias unidades de procesamiento.
9 Entorno remoto: Sitio en el cual el dispositivo teleoperado ejecuta las
instrucciones del teleoperador
J I,,,,,,,,,,,! Esclavo Remoto Maestro
Figura 1.7 Elementos principales de un sistema teleoperado
La forma habitual de trabajar con un sistema básico de teleoperación es la siguiente:
El operador realiza a distancia el control de la operación, para indicar las acciones que
debe reproducir el dispositivo en el entorno remoto. Como ésta zona suele estar a una
considerable distancia, es necesario contar con algún tipo de interfaz visual que le
permita ver los objetos del entorno.
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"B INSTITUTO POLIT~CNICO NACIONAL ../\ ;,>L. Unidad Profesional Interdisciplinana en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas - *,- 'M MECATR~NICA 1.4 Vehículos exploradores teleoperados, tecnología existente
1.4.1 Vehículo Laimuz
El vehículo Laimuz (ver figura 1.8), cuenta con un sistema de comunicación
bidireccional, desarrollado para ser utilizado como vehículo de inspección con las
siguientes características:
9 Tracción en las cuatro ruedas
b Sistema de suspensión independiente a cada rueda
b Velocidad máxima: 20 Kmlh
9 Autonomía: 2 horas de energía
i. Funciones adicionales: bocina, luces, etc.
b Alcance máximo: 200 m
9 Canal de vídeo
Figura 1.8 Vehículo Laimuz
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e INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL - f' t2 Unidad Profesional Interdisciplinana en Ingenieria y Tecnologías Avanzadas - % MECATRONICA 1.4.2 Explorador espacial
El Opportunity (ver figura 1.9) ha recorrido más de 800 metros y ha enviado a la Tierra
más de 15 gigabytes de información, entre las que se encuentran cerca de 13,000
imágenes.
Su velocidad estimada es de unos 40 metros al día, aunque las dificultades en el
terreno y los diferentes trabajos de investigación no han permitido que se mantenga
constante. En cuanto a su potencia, se calcula que en conjunto puede producir de 600
a 900 watts de energía.
Figura 1.9 Opportunity
Este vehículo cuenta con un sistema de tracción en las cuatro ruedas, con motores
eléctricos que van adosados a cada una de sus seis ruedas, cuatro de las cuales (las
dos del eje delantero y las traseras) son directrices. Esto los dota de una gran
movilidad y maniobrabilidad en la superficie marciana. Sobre el cuerpo del vehículo, se
encuentran cuatro cámaras que sirven para detectar obstáculos y así poder evitarlos.
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MECATR~NICA
1.5 Microcontroladores
1.5.1 Concepto de microcontrolador
Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres
unidades funcionales de una computadora: CPU, memoria y unidades de entrada y
salida
vcc S o h a r e n
110 Control
Figura 1.1 0 Esquema de u n microcontrolador
En el esquema (ver figura 1 . lo), se observa al microcontrolador como una computadora embebida a un circuito integrado, con su Unidad Central de
Procesamiento (CPU), buses, memoria y puertos de entrada salida. En la parte externa
del encapsulado se ubican otros circuitos para completar periféricos internos y
dispositivos que pueden conectarse a los pines de entradalsalida.
También se conectarán a los pines del encapsulado la alimentación, masa, circuito
oscilador y otros circuitos necesarios para que el microcontrolador pueda trabajar. Este
dispositivo se emplea para controlar el funcionamiento de una tarea determinada y
debido a su reducido tamaño suele ir incorporado en el propio dispositivo al que
gobierna.
En la memoria del microcontrolador sólo reside un programa destinado a gobernar una
aplicación determinada; sus líneas de entradalsalida soportan el conexionado de los
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MECATR6NlCA
sensores y actuadores del dispositivo a controlar. Una vez programado y configurado el
microcontrolador solamente sirve para gobernar la tarea asignada.
1.5.2 Arquitectura interna
Un microcontrolador es un sistema cerrado que contiene las unidades funcionales de
una computadora y sus principales partes son:
9 Procesador
> Memoria no volátil para contener el programa 9 Memoria de lectura y escritura para guardar los datos
9 Líneas de entradalsalida para los controladores de periféricos
9 Comunicación paralelo
9 Comunicación serie
9 Diversas puertas de comunicación (bus 12C, USB, etc.)
k Recursos auxiliares
9 Circuito de reloj
9 Temporizadores
9 Perro guardián (watchdog)
P Conversores AD y DA
9 Protección ante fallos de la alimentación
9 Estado de reposo o de bajo consumo
1.5.3 Lenguaje máquina
El lenguaje que entienden los microcontroladores es el sistema binario. Cualquier
instrucción que deba ser ejecutada por el microcontrolador debe ser expresada en éste
sistema. Dicha codificación binaria resulta compleja, por lo que muchas veces se utiliza
la codificación hexadecimal, esto para facilitar la interpretación de los códigos máquina
y no saturar la pantalla de unos y ceros.
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El código máquina, un simple patrón de bits resulta complejo y poco legible para el ser
humano, es por esto, que para ingresar las instrucciones o tareas que realizará el
microcontrolador es indispensable un lenguaje ensamblador, que reemplazará los
valores binarios por símbolos denominados mnemónicos, los cuales son directamente
traducibles al lenguaje máquina.
1.6 Servomotores
Un servomotor es un dispositivo actuador que tiene la capacidad de ubicarse en
cualquier posición dentro de su rango de operación, y de mantenerse en dicha
posición. Está formado por un motor de corriente continua, una caja reductora y un
circuito de control, y su margen de funcionamiento generalmente es de menos de una
vuelta completa.
Los servomotores tienen tres terminales, la terminal positiva es utilizada para
alimentación de voltaje, la terminal negativa se utiliza para la tierra del motor, y
finalmente, la de entrada por la cual recibe la señal PWM (Pulse Width Modulation).
Dentro del servomotor, una tarjeta controladora le indica a un motor de corriente directa
cuántas vueltas girar para acomodar la flecha del motor, en la posición que se le ha
Indicado (ver figura 1.1 1).
I
, Juogo de engranes
~es'sten>>A-w ( 2 Kn en este motor )
1 : M@ de CD 1 :
..L ........ ~ ~ ~... %Tarj& CO&OI&~~
Cub ert3 ~rdeiior '
Figura 1.1 1 Servomotor
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MECATRONICA
Un servomotor tiene un eje de rendimiento controlado, este puede ser llevado a
posiciones angulares especificas al enviar una señal codificada, mientras la señal
exista en la línea de entrada, el servomotor mantendrá la posición angular del
engranaje. Cuando la señal codificada cambia, la posición angular de los piñones
cambia.
Es importante destacar que para que la flecha de un servo se mantenga en la misma
posición durante un cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso
correspondiente. De éste modo, si existe alguna fuerza que le obligue a abandonar
esta posición, intentará resistirse. Si se deja de enviar pulsos entonces el servomotor
perderá fuerza y dejará de intentar mantener su posición, de modo que cualquier fuerza
externa podría desplazarlo.
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MECATRONICA
CAPITULO 2 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA
Introducción
El simple hecho de ser humanos hace indispensable establecer medios para estar
comunicados. Por eso la gran importancia de la transmisión y la recepción de
información, por lo que es necesario establecer medios de comunicación eficaces. Una
de las tecnologías más prometedoras y discutidas en esta década es la de poder
comunicar computadoras mediante tecnología inalámbrica.
2.1 Comunicación inalámbrica
La comunicación inalámbrica, es el tipo de comunicación en la que no se utiliza un
medio de propagación físico alguno que comunique cada uno de los extremos de la
transmisión. En ese sentido, los dispositivos físicos sólo están presentes en los
emisores y receptores de la señal. Actualmente las transmisiones inalámbricas
representan una eficaz y poderosa herramienta que permite la transferencia de video,
voz y datos sin tableado. Las redes inalámbricas facilitan la operación en lugares
donde la computadora no puede permanecer en un sólo sitio.
2.2 Protocolos TCP y UDP
lnternet usa el protocolo TCP (Transmision Control Protocol), éste se encarga de recibir
paquetes de información y redirigirlos al usuario final que los solicitó. Este protocolo
posee una característica que UDP (User Datagram Protocol) no tiene, TCP puede
verificar que el paquete de información haya llegado con éxito al destinatario final,
concretando así la transacción. Por el contrario UDP no puede hacer esto, sólo manda
el paquete con la información y no verifica que haya llegado satisfactoriamente la
información al destinatario.
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Unidad Profesional Interdisciplinana en Ingenieria y Tecnologias Avanzadas 5 MECATRONICA
2.3 Transmisión del vídeo
La transmisión de video se lleva a cabo utilizando el modelo OS1 (Open Sysfems
Inferconnecfion) que es la propuesta que hizo la ISO (Infernational Organizafion for
Sfandardizafion), para estandarizar la interconexión de sistemas abiertos. Un sistema
abierto se refiere a que es independiente de una arquitectura específica. El modelo se
compone de un conjunto de estándares ISO relativos a las comunicaciones de datos.
El modelo puede ser considerado una arquitectura, ya que no especifica el protocolo
que debe ser usado en cada capa, sino que suele hablarse de modelo de referencia.
Este modelo está dividido en siete capas, (ver figura 2.1).
Figura 2.1 Capas del modelo OS1
/' /
2.3.1 Capa física
7. - Capa da Aplicaddn &-Capa & P n r m h d h
5.-Cqa deSedón
4. - Capa do TRaipoato &-Capa &Red
2 - C q a da Enlace 1. - capa n h ~
La capa física es la encargada de transmitir los bits de información a través del medio
utilizado para la transmisión. Ésta se ocupa de las propiedades físicas y características
eléctricas de los diversos componentes; de la velocidad de transmisión. Así como de
los aspectos mecánicos de las conexiones y terminales, incluyendo la interpretación de
las señales eléctricas y electromagnéticas.
1
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL -61 Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingenieria y Tecnologias Avanzadas , t f i MECATRONICA
2.3.2 Capa de enlace
El medio debe ser capaz de proporcionar una transmisión sin errores. Debe crear y
reconocer los límites de las tramas, así como resolver los problemas derivados del
deterioro, pérdida o duplicidad de las tramas. También debe incluir algún mecanismo
de regulación del tráfico que evite la saturación de un receptor que sea más lento que
el emisor.
2.3.3 Capa de red
El objetivo de la capa de red es hacer que los datos lleguen desde el origen al destino,
aun cuando ambos no estén conectados directamente. Es decir que se encarga de
encontrar un camino manteniendo una tabla de enrutamiento, para hacer llegar los
datos al destino.
2.3.4 Capa de transporte
Su función básica es recibir los datos enviados por las capas superiores, dividirlos en
pequeñas unidades y pasarlos a la capa de red. El modelo OSI, también se asegura
que lleguen correctamente al otro lado de la comunicación. Otra característica a
destacar es que debe aislar a las capas superiores de las distintas posibles
implementaciones de tecnologías de red en las capas inferiores, lo que la convierte en
el corazón de la comunicación.
En ésta capa se proveen servicios de conexión para la capa de sesión, que serán
utilizados finalmente por los usuarios de la red al enviar y recibir paquetes. Estos
servicios estarán asociados al tipo de comunicación empleada, la cual, puede ser
diferente según el requerimiento que se le haga a la capa de transporte.
La comunicación puede ser manejada para que los paquetes sean entregados en el
orden exacto en que se enviaron, asegurando una comunicación punto a punto libre de
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4% INSTIT~O POLIT~CNICO NACIONAL - Unidad Profesional Interdisciplinana en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas - 2 =
MECATRONICA
errores, o sin tener en cuenta el orden de envio. Una de las dos modalidades debe
establecerse antes de comenzar la comunicación para que una sesión determinada
envíe paquetes, y ése será el tipo de servicio brindado por la capa de transporte hasta
que la sesión finalice. De la explicación del funcionamiento de esta capa se desprende
que no está tan encadenada a capas inferiores como en el caso de las capas 1 a 3,
sino que el servicio a prestar se determina cada vez que una sesión desea establecer
una comunicación. Todo el servicio que presta la capa está gestionado por las
cabeceras que agrega al paquete a transmitir. Para finalizar, se puede definir a la capa
de transporte como la encargada de efectuar el transporte de los datos de la máquina
origen a la destino, independizándolo del tipo de red física que se esté utilizando.
2.3.5 Capa de sesión
Esta capa ofrece varios servicios que son cruciales para la comunicación, como son:
9 Control de la sesión a establecer entre el emisor y el receptor (quien
transmite, quien escucha y el seguimiento de ésta).
9 Control de la concurrencia (que dos comunicaciones en la misma operación
no se efectúen al mismo tiempo).
P Mantener puntos de verificación (checkpoints), sirven para que ante una
interrupción de transmisión, la misma se pueda reanudar desde el último
punto de verificación en lugar de repetirla desde el principio.
Por lo tanto, el servicio provisto por esta capa, es la capacidad de asegurar que dada
una sesión establecida entre dos máquinas, la misma se pueda efectuar para las
operaciones definidas de principio a fin, reanudándolas en caso de interrupción.
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MECATRONICA
2.3.6 Capa de presentación
El objetivo de esta capa, es encargarse de la representación de la información, de
manera que, aunque distintos equipos puedan tener diferentes representaciones
internas de caracteres, sonido o imágenes; los datos lleguen de manera reconocible.
Esta capa es la primera en trabajar más el contenido de la comunicación, en ella se
tratan la semántica y la sintaxis de los datos transmitidos, ya que distintas
computadoras pueden tener diferentes formas de manejarlas.
Por lo tanto, se define a esta capa como la encargada de manejar las estructuras de
datos abstractos y realizar las conversiones de representación de datos necesarias
para la correcta interpretación de los mismos.
2.3.7 Capa de aplicación
Esta capa ofrece a las aplicaciones la posibilidad de acceder a los servicios de las
demás capas y define los protocolos que utilizan las aplicaciones para intercambiar
datos, como correo electrónico, gestores de bases de datos y servidor de ficheros.
2.3.8 Capa física
El aire es el medio físico por el cual viajará la información contenida en ondas
electromagnéticas, llevando la información de un punto a otro sin necesidad de un
medio físico guiado, con esto se logra dotar al vehículo de una amplia libertad de
movimientos, los dispositivos utilizados son:
9 Adaptador de red inalámbrico: Para la computadora embebida, se utiliza una
tarjeta PCMCIA, que es un dispositivo normalmente utilizado en
computadoras portátiles para expandir las capacidades de éste. Estas
tarjetas reciben su nombre del estándar PCMCIA (Personal Computer
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MECATR~NICA
Memory Card lnternational Association), asociación de la industria de
fabricantes de hardware para computadoras portátiles encargada de la
elaboración de estándares.
P Tarjeta de red o NIC: (Nefwork Interface Card), dispositivo electrónico que
permite a una computadora o impresora acceder a una red y compartir
recursos entre dos o más equipos (discos duros, cd-rom, etc). Las tarjetas de
red Ethernet pueden variar en función de la velocidad de transmisión,
normalmente 10 Mbps o 100 Mbps. Esta tarjeta será conectada a la
computadora de escritorio, aunque también es posible el uso de una tarjeta
de red inalámbrica.
2.3.9 Capa de enlace de datos
Dentro de esta capa se hace uso de dos estándares, el IEEE 802.3 propio de una red
Ethernet, que es utilizado por la computadora de escritorio, y el IEEE 802.1 1, que es un
estándar para redes inalámbricas Wi-Fi, acrónimo de Wireless Fidelity, que se ocupa
en el enlace de la computadora embebida.
2.3.10 Capa de red
En esta capa se encuentra una parte importante del equipo de interconexión: el
enrutador o encaminador, el cual interconecta la red Ethernet con la Wi-Fi, la cual hace
pasar paquetes de datos entre redes tomando como base la información de la capa de
red.
El enrutador toma decisiones lógicas con respecto a la mejor ruta para el envio de
datos a través de una red interconectada y luego dirige los paquetes hacia el segmento
y el puerto de salida adecuados. Sus decisiones se basan en diversos parámetros, una
de las más importantes es decidir la dirección de la red hacia la que va destinado el
paquete. Otras decisiones, son la carga de tráfico de red en las distintas interfaces de
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MECATRdNlCA - --
red del encaminador, y establecer la velocidad de cada uno de ellos, dependiendo del
protocolo que se utilice.
Se hace uso del protocolo IP (Internet Protocol), que es un protocolo no orientado a
conexión, usado tanto por el origen, como por el destino para la comunicación de datos
a través de una red de paquetes conmutados. Los datos en una red basada en IP son
enviados en bloques conocidos como paquetes o datagramas (en el protocolo IP estos
términos se suelen usar indistintamente).
El protocolo de lnternet provee un servicio de datagramas no fiable, también llamado
del mejor esfuerzo (best effort). La IP no provee ningún mecanismo para determinar si
un paquete alcanza o no su destino y únicamente proporciona seguridad (mediante
checksums o sumas de comprobación) de sus cabeceras y no de los datos
transmitidos. Al no garantizar nada sobre la recepción del paquete, éste podría llegar
dañado, en otro orden con respecto a otros paquetes, duplicado o simplemente no
llegar.
Las cabeceras IP contienen las direcciones de las máquinas de origen y destino, las
famosas direcciones IP, direcciones que serán usadas por el enrutador para decidir el
tramo de red por el que reenviará los paquetes.
2.3.1 1 Capa de transporte
Se hace uso del protocolo RTP (Real Time Protocol) en conjunto con UDP (User
Datagram Protocol). El UDP es un protocolo basado en el intercambio de paquetes.
Permite el envío de paquetes a través de la red sin que se haya establecido
previamente una conexión, ya que el propio paquete incorpora suficiente información
de direccionamiento en su cabecera. Se utiliza ya que al transmitir voz o vídeo, resulta
más importante transmitir a mayor velocidad, que garantizar el hecho de que lleguen
absolutamente todos los bytes, como se hace en el caso de TCP (Transmission Control
Protocol) .
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MECATR~NICA
2.3.12 Capa de sesión
La sesión que se establece entre los dos equipos es del tipo RTP, el cual es un
protocolo utilizado para la transmisión de información en tiempo real, como por ejemplo
audio y vídeo en una transmisión de video-conferencia.
2.3.13 Funcionamiento de RTP
Para el uso de vídeo en la comunicación, el emisor envía datos de video en partes
pequeñas, con una duración de alrededor de 20 ms. Cada pedazo de datos es
precedido por un paquete "jefe" RTP; El jefe RTP y los datos alternadamente se
contienen en un paquete UDP. El jefe RTP indica qué tipo de codificación de vídeo (tal
como Cinepak, MPEG-1, JPEG) contiene cada paquete, de modo que el remitente
pueda decodificar y reproducir la información durante la sesión.
En internet como en otras redes, el paquete pierde de vez en cuando información, llega
en un orden distinto, o simplemente no llega. Esto genera retrasos por cantidades de
tiempo variables. Para hacer frente a estos problemas, el jefe RTP contiene la
información de la sincronización y un número de serie que permite que los receptores
reconstruyan la información que produjo la fuente. El número de serie se puede utilizar
también para estimar cuántos paquetes se están perdiendo.
2.3.14 Capa de presentación
En ésta capa se comienzan a manejar los datos útiles que han sido recibidos de la
capa de sesión RTP, interpretarlos y darles un formato correcto de salida, como los
datos RTP fueron generados por JMF, es éste mismo el encargado de decodificar
estos datos para que puedan ser reproducidos como un vídeo.
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MECATR~NICA
2.3.15 Capa de aplicación
Para la reproducción del vídeo se utiliza la tecnología streaming, para aligerar la
descarga y ejecución de audio y vídeo en la web, ya que permite escuchar y visualizar
los archivos mientras se están descargando.
Si no se utilizara streaming para mostrar un contenido multimedia en la red, se tendría
que descargar primero el archivo entero en la computadora y más tarde ejecutarlo, para
finalmente ver y oír lo que el archivo contiene. Sin embargo, el streaming permite que
ésta tarea se realice de una manera más rápida y que se pueda ver y escuchar su
contenido durante la descarga.
El streaming funciona de la siguiente manera. Primero la computadora cliente conecta
con el servidor y éste le empieza a mandar los paquetes. El cliente comienza a recibir
los paquetes y construye un buffer donde guarda la información. Cuando se ha llenado
el buffer con una pequeña parte del archivo de vídeo, el cliente lo empieza a mostrar y
a la vez continúa con la descarga. El sistema está sincronizado para que el vídeo se
pueda ver mientras que el resto de los paquetes continúan descargándose, de modo
que cuando el video acaba de descargarse también ha terminado de visualizarse. Si en
algún momento la conexión sufre descensos de velocidad, se utiliza la información que
hay en el buffer, de modo que se puede esperar un poco el descenso. Si la
comunicación se interrumpe demasiado tiempo, el buffer se vacía y la ejecución del
vídeo se cortaría también hasta que se restaure la comunicación.
Un buffer es una ubicación de memoria en una computadora o en un instrumento digital
reservada para el almacenamiento temporal de información digital, mientras que está
esperando ser procesada. El tamaño del buffer ocupado en el lenguaje de
programación Java es de 270ms, suficiente para almacenar cuatro cuadros de vídeo,
no se requiere de un buffer mayor, debido a las ventajas que ofrece RTP.
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MECATRONICA
El streaming, como casi todos los protocolos de la capa de aplicación, utiliza la
arquitectura cliente-servidor. Un servidor es una aplicación que ofrece un servicio a
usuarios de internet, un cliente es el que pide ese servicio. En éste caso el servidor
será la computadora embebida y el servicio que ofrecerá será la transmisión del vídeo
captado por la cámara web. El cliente será la computadora de escritorio que pedirá ver
el vídeo captado.
2.4 Dirección de internet
El protocolo IP identifica a cada ordenador que se encuentre conectado a la red,
mediante su dirección correspondiente. Esta dirección es un número de 32 bit que debe
ser único para cada host, y normalmente suele representarse con cuatro cifras de 8 bits
separadas por puntos.
La dirección de internet (IP Address) se utiliza para identificar tanto a la PC, como la
red a la que pertenece, de manera que sea posible distinguir las computadoras que se
encuentran conectadas a una misma red.
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MECATR~NICA
CAP~TULO 3 SISTEMA MECÁNICO Y ELECTRÓNICO
Introducción
En este capítulo se describe los aspectos iniciales del prototipo Vehículo Terrestre de
Exploración, los cuales son estudio de mercado, adquisición del vehículo y el control
del servomotor de radiocontrol.
También se hace mención de la construcción del eslabón como parte de la suspensión
del vehículo, para garantizar que la rueda se mantenga en contacto con el terreno en el
que se desplace.
3.1 Estudio de mercado
La primera etapa a desarrollar, fue la adquisición de un vehículo a radio control, para
esto se hizo una comparación y cotización de los distintos modelos existentes en el
mercado.
Se buscó en lnternet vehículos de modelismo a radio control y se encontró una gran
variedad. Como se pretende montar ciertos dispositivos al vehículo, tales como una
cámara web y una computadora portátil, se necesita un vehículo con motores potentes
y que las pilas que suministren energía sean las adecuadas y se llegó a la conclusión
que lo ideal para el prototipo es una camioneta equipada con ruedas que cuenten con
el tamaño necesario para el terreno a explorar. Dentro de éstas se mostrarán algunos
modelos.
)í. Blackfoot Xtreme 2x4, fabricante Tamiya, Kit para montar, incluido emisor,
receptor, servos y batería, (ver figura 3.1).
Figura 3.1 Blackfoot Xtreme 2x4
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9 Xb2 Over Lander:
Fabricante Tamiya, totalmente montado y pintado (ver figura 3.2).
9 Longitud: 431 mm
9 Ancho: 310mm
9 Altura: 218mm
9 Tipo de Transmisión: 2WD
9 Motor 540.
P Diámetro de ruedas: 130mm
Figura 3.2 Xb2 Over Lander
9 Monstertruck
Puede conducirse en cualquier área, fango, piedras, o pendientes
grandes. Con su impulsión óptima (diferencial), con un óptimo chasis y
resortes. Con neumáticos de 120mm (ver figura 3.3).
Figura 3.3 Monstertruck
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MECATRONICA
3.2 Adquisición del vehículo
Al hacer las cotizaciones y realizar un balance de las ventajas y desventajas que otorga
cada vehículo, se observó que los modelos existentes en el mercado nacional, acordes
al presupuesto planteado originalmente, no cumplen con las expectativas necesarias
para el prototipo Vehículo Terrestre de Exploración. Cotizando en el mercado
internacional, se encontró que los vehículos proporcionan distintitas características
(transmisión, diferencial, baterías, motores, servomotores, neumáticos, amortiguadores,
resortes y muelles) ya que son diseñados para tener un desempeño acorde al terreno
en el cual se va a utilizar.
De acuerdo a las cotizaciones, se observó que el presupuesto destinado al vehículo no
es suficiente para adquirir un modelo adecuado al prototipo, así que se decidió acudir al
Centro de Servicios Experimentales del Departamento de Control Automático del
CINVESTAV, para solicitar asesoría y se hizo el contacto con el Dr. Alberto Soria, quien
decidió otorgarnos apoyo técnico y la facilidad de continuar con un proyecto que él ha
iniciado, facilitando el uso del vehículo, así como los medios por los cuales se
desarrolló la transmisión de vídeo y el control de los servomotores. El coche de
radiocontrol mencionado anteriormente tiene las siguientes características:
3.3 Clod Buster 4WD
Fabricante: Tamiya.
El Clod Buster de Tamiya (ver figura 3.4), es una camioneta todo terreno cuyas
características son las siguientes:
9 Dos transmisiones
P Ocho amortiguadores, dos por rueda
9 Escala 1 :10
9 Chasis de poliestireno (plástico).
9 Estructura de resina de poliestireno
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MECATRONICA
9 Base de las llantas: 10.63 pulgadas (280mm)
9 Banda frontal: 10.63 pulgadas (280mm)
9 Banda trasera: 10.63 pulgadas (280mm)
9 Dos motores 540, con piñón de 13 dientes
9 Tracción en las 4 ruedas
P Dos cajas de diferenciales
9 Tipo de diferencial : engranaje cónico
9 Tipo de neumáticos: neopreno blanco con dibujo tipo V
REQUERIMIENTOS
9 2 canales de radio de alta duración
9 6 baterías níquel cadmio
9 1 cargador
ESPECIFICACIONES
9 Longitud: 18.9"
P Ancho: 14.2"
9 Altura: 13.4"
P Base de los neumáticos: 10.5"
9 Peso: 9.6 libras
Figura 3.4 Clod Buster 4Wü
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MECATR6NICA
Por las características mecánicas correspondientes a la doble transmisión, tipo de
diferencial, tracción en las cuatro ruedas y el sistema de suspensión que éste vehículo
posee, se considera que no es conveniente realizar ningún tipo de modificación al
sistema, únicamente fue desmontada la carcasa, para colocar una placa de acrilico,
sobre la cual se implementó un sistema de adquisición y transmisión de vídeo
(computadora embebida y cámara web), la carga requerida para el funcionamiento del
proyecto Vehículo terrestre de exploración.
3.4 Elaboración del sistema mecánico
El sistema mecánico mantiene las características originales, solo se adaptó un sistema
de amortiguamiento. Para la construcción del mecanismo de amortiguamiento se
utilizaron aluminio y acrilico, para los eslabones a utilizar se seleccionaron ruedas con
capacidad de carga cada una de sesenta kilogramos de peso, se montaron las llantas
después del proceso de torneado que se realizó para dejarlas sin tantas imperfecciones
para su rodamiento.
El diseño de los eslabones (ver figura 3.5), cuenta con cavidades especiales para
colocar los rodamientos, utilizando una barrera para evitar el desplazamiento de los
mismos.
Figura 3.5 Diseño de eslabón
La suspensión está construida con un sistema resorte amortiguador, para cada
eslabón, diseñado para garantizar que la rueda se mantenga en contacto con el terreno
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en el que se desplace el vehículo, absorbiendo los impactos que lleguen directos a las
ruedas.
3.5Coeficientes de fricción de la rodadura
Es importante conocer los coeficientes de fricción de las llantas en distintas superficies
(ver tabla 3.1), recordando la fórmula
(Ecuación 4)
En donde P es una fuerza horizontal que hace que el centro del rodillo se mueva a
velocidad constante. w es la carga vertical, r es el radio del rodillo y a es el coeficiente
de fricción de la rodadura.
Superficie a (centímetros) -" -- - - - - - .- - . -
Llantas neumáticas sobre buena carretera 0.051 a 0.056 .-.---....-....---..--e.... - - -..............-....-........-....... -......... .-....
Llantas neumáticas sobre camino enlodado ' O. 101 6 a O. 1524 ...................................................... . ...... .-.m.--- -..........-........-...
Llantas de caucho macizo sobre buena !
0.1016 carretera
i " - -- - -
Llantas de caucho macizo sobre camino "
0.2286 a 0.2794 enlodado
Tabla 3.1 Coeficientes de fricción de rodadura
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MECATRONICA
3.6 Microcontrolador PIC16F84A
Este dispositivo posee una memoria de programa de tipo Flash EEPROM de 1K
palabras de 14 bits cada una y dispone de 64 bytes de EEPROM como memoria de
datos auxiliar y opcional
La memoria EEPROM y la Flash pueden ser grabadas y borradas eléctricamente, lo
que permite escribir y borrar el programa bajo prueba.
3.6.1 Aspecto externo
El PIC16F84A (ver figura 3.6), está fabricado con tecnología CMOS y encapsulado de
18 pines. Se comenta brevemente la misión de cada uno de los pines.
VDD : Pin por la que se aplica la tensión positiva de la alimentación.
9 Vss : Pin conectada a tierra o negativo de la alimentación.
9 OSCIICLKIN: Pin por la que se aplica la entrada del circuito oscilador externo que
proporciona la frecuencia de trabajo del microcontrolador.
9 OSC2lCLKOUT: Pin auxiliar del circuito oscilador.
9 MCLR#: Este pin se activa con nivel lógico bajo, lo que se representa con el símbolo
#. Su activación origina la reinicialización o reset del PIC. También se usa este pin
durante la grabación de la memoria de programa para introducir por ella la tensión,
V,,, que está comprendida entre 12 y 14 V cd.
Figura 3.6 PIC16F84A
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MECATR~NICA
> RAO-RA4: Son las 5 Iíneas de entradalsalida digitales correspondientes a la puerta A.
La Iínea RA4 multiplexa otra función expresada por TOCKI. En éste segundo
caso, sirve para recibir una frecuencia externa para alimentar al temporizador
interno TMRO.
> RBO-RB7: Estos 8 pines corresponden a las 8 líneas de entradalsalida digitales de la puerta B.
> La Iínea RBO multiplexa otra función, que es la de servir como entrada a una petición externa de una interrupción, por eso se le denomina RBOJINT.
3.7 Control del servomotor
Para poder establecer la dirección y posición del vehículo, es necesario controlar un
servomotor y por tanto conocer el rango de pulso que maneja, correspondiente a cada
posición de la flecha del motor.
Se desarrolló un programa en lenguaje ensamblador, para el microcontrolador
PIC16F84A-20/P, el cual sirve para controlar la posición de la flecha del servomotor
Hobbico C55, que controla el ángulo mediante una señal cuadrada moduladora de
ancho de pulso de 20 ms de periodo, que se aplica a su Iínea de control.
Para controlar el servomotor se envía una serie de pulsos para direccionar a cierto
ángulo la flecha del motor, el ángulo está determinado por la duración del pulso que se
aplica a Iínea de control. El servomotor recibe un pulso cada 20 milisegundos. La
longitud del pulso determinará los giros de la flecha del servomotor. Un pulso de 1.5
ms., hará que la flecha del servomotor se torne a la posición de 90 grados (llamada
posición neutra). Si el pulso es menor de 1.5 ms., entonces la flecha del servomotor se
acercará a los O grados. Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se acercará a los 180
grados y algún valor entre ellos entrega un ángulo de salida proporcional (figura 3.7).
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MECATRÓNICA
l
'+j,
Posición Central 90' .\
Figura 3.7 Pulsos enviados al servomotor
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CAPITULO 4 DESARROLLO DE VIDEOCOMUNICACION
Introducción
Los programas en lenguaje de programación Java pueden ejecutarse en cualquier
plataforma. Este lenguaje es dinámico ya que puede cargar un nuevo código de
cualquier parte de la red y compilarlo en el proceso.
El lenguaje de programación Java es seguro, ya que fue diseñado para proveer el
máximo nivel de seguridad en la red, además, se puede ejecutar en dispositivos
electrónicos que no necesariamente tienen que ser computadoras, por ejemplo:
microcontroladores, teléfonos celulares, PDA (Asisfenfes Digitales Personales), etc.
4.1 Desarrollo del programa de videocomunicación
Para desarrollar el software de videocomunicación se utilizó el lenguaje de
programación Java. (Java es una plataforma virtual de software) Los programas
creados en Java pueden ejecutarse sin cambios en diferentes tipos de arquitecturas y
dispositivos computacionales ("Windows, Linux, Solaris, etc").
La plataforma Java consta de las siguientes partes:
> El lenguaje de programación. > La máquina virtual de Java o JRE, que permite la portabilidad en ejecución. > Los APIJs Java, bibliotecas estándar para el lenguaje.
Los programas en Java son compilados a un lenguaje intermedio llamado bytecode,
que luego son interpretados por la máquina virtual de Java (JVM). Ésta última sirve
como una plataforma de abstracción entre la máquina y el lenguaje, permitiendo que se
pueda "escribir el programa una vez y correrlo en cualquier parte".
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MECATR~NICA
Con la evolución de las diferentes versiones, no sólo se han producido cambios en el
lenguaje, sino que se han producido cambios mucho más importantes en sus
bibliotecas asociadas (APl's), que han pasado de unos pocos cientos en Java 1.0, a
más de tres mil en Java 5.0.
En este caso particular se hará uso de dos APl's en particular, JMF (Java Media
Framework) y JAI (Java Advanced Imaging).
El problema de la videocomunicación consta de dos partes, la primera es el desarrollo
del servidor Java, y la segunda el desarrollo del cliente Java. A continuación se
muestran las funciones que cada programa debe realizar (ver figura 4.1).
I Comenzar transmición a la IP H Codificar los datos Terminar sesión. especificada para ser enviados
Servidor Java
Figura 4.1 Funciones realizadas por el servidor Java
El servidor Java se encarga del establecimiento de la comunicación, así mismo de
obtener, codificar y enviar los datos de vídeo. El establecimiento de la comunicación
por red se realiza utilizando la dirección IP del cliente y un puerto de red, al cual
llegarán los datos. Un puerto de red es una interfaz para comunicarse con un programa
a través de una red. Los puertos de red suelen ser numerados y una cierta
implementación de protocolo de transmisión de red, en este caso UDP, asigna alguno
de esos números de puerto a la información que envía, la implementación del protocolo
en el destino utilizará ese número para decidir a que programa entregar los datos
recibidos.
,: lnlciar Ses,ón RTP -: L'$
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MECATRONICA
En UDP la combinación de un número de puerto y una dirección de red (dirección IP)
suele llamarse socket.
La obtención de las imágenes provenientes de la cámara web se realiza con la ayuda
del API JMF (Java Media Framework).
4.1.1 Java Media Framework
JMF (Java Media Framework) es una interfaz de programación de aplicaciones (API),
usada para desarrollar aplicaciones de vídeo conferencia basadas en la web.
Básicamente, en esta arquitectura, el cliente usa dos applets del JMF, uno para la
captura del audiolvídeo proveniente de la cámara web y la otra para reproducir el
audiolvídeo recibido. La captura es realizada durante un determinado intervalo de
tiempo predefinido (por ejemplo 30 S) y es almacenado de forma local en un archivo.
Este archivo es transmitido al servidor, donde es almacenado en un archivo con
formato Msvideo (AVI), o bien Quicktime (MOV). El applet del reproductor se conectará
al servidor y comenzará la descarga del contenido multimedia, reproduciendo de
manera continua los fragmentos de video que son recibidos.
La captura de estos datos multimedia puede ser de distintas fuentes, ya sea un archivo
almacenado en el equipo, o directamente de algún dispositivo de captura, como lo es
una cámara web. El formato que tiene la información entregada, depende en gran
medida del medio físico, hay cámaras web que entregan flujos de información poco
procesada, otras entregan la información en un formato comprimido y esto puede
acarrear costos computacionales.
4.1.2 Descripción de la arquitectura
La arquitectura del sistema de comunicación será muy similar a la de un sistema de
video conferencia web, esta implementada sobre HTTP donde un servidor central se
encargará de distribuir el contenido multimedia al cliente, aunque cabe destacar que es
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MECATRONICA
posible enviar el contenido multimedia a varios clientes. El servidor es alimentado por la
cámara web montada sobre el vehículo. El cliente ejecuta dos applets, una para la
captura del contenido multimedia proveniente del servidor y otra para la reproducción
de vídeo.
Los pasos para la captura del vídeo son los siguientes:
1. El applet encargado de la captura de las imágenes y sonidos provenientes de la
cámara web, se encuentra continuamente capturando y convirtiendo el
contenido en paquetes con los que se formarán las cadenas, estas cadenas de
datos se salvarán localmente en un formato específico cada pocos segundos.
Este archivo será montado sobre HTTP para ser enviado al servidor, durante el
proceso de envío una parte no significativa de datos se perderá por diversas
causas, como tráfico en la red, errores de sincronización, paquetes defectuosos
o no entregados a tiempo, etc. Una manera más eficiente con la cual se puede
evitar parte de esta pérdida, sería escribiendo directamente sobre algún socket
que estuviera ligado al servidor directamente, sin embargo, para esta aplicación
esto no es posible debido a que JMF se encarga de toda la gestión y control del
enlace con el servidor, así como de los tiempos de sincronización.
2. El servidor recibe un nuevo archivo proveniente del emisor y lo almacena
temporalmente con un nombre designado por un contador, estos archivos serán
enviados al cliente de acuerdo al orden de sus nombres.
3. El applet reproductor del J M F descarga nuevos archivos provenientes del
servidor web. Este applet reproduce de forma continua el archivo multimedia, sin
que sean evidentes los cortes de inicio y fin de los pequeños archivos
multimedia de los que está compuesto el total de la transmisión multimedia.
Cuando uno de estos trozos de clip se termine de descargar y esté listo para
comenzar a reproducirse, se crea un nuevo espacio de memoria para comenzar
la descarga del pedazo siguiente y este es descargado del servidor. En esta
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concatenación continua de trozos de vídeo, el clip siguiente siempre debe de
estar listo antes de ser reproducido, de lo contrario habrá pérdidas en el
fragmento que se esté reproduciendo y esto afecta los fragmentos
subsecuentes.
Desde el comienzo de la reproducción y durante todo el proceso de descarga y
concatenación de los nuevos fragmentos de vídeo recibidos, el reproductor
verifica la disponibilidad de un nuevo archivo para "n" segundos del tiempo total
preestablecido.
Presentación de la . ,Decodificación de los. :: Terminar sesión. :-.<
información datos
Figura 4.2 Funciones realizadas por el cliente Java
Cliente Java
En el desarrollo del programa en Java (ver figura 4.2), se crea una sesión de
comunicación RTP, a la espera de que los datos enviados por el servidor, lleguen y
sean correctamente identificados para su trasformación en la señal de vídeo
correspondiente.
Abrir puerto de destino
Es necesario, antes de decodificar los paquetes recibidos, identificar el medio o fuente
del que provienen estos datos, para establecer una correcta sincronización entre
ambos medios y así evitar la pérdida de paquetes, con esto se establece la conexión
entre ambas partes, en este caso una conexión punto a punto.
I: ~n ic ja r~es ión RTP -: )- :-: Estado de espera
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INSTITUTO POLIT~CNICO NACIONAL Obtención de vídeo > Codificación > Envío > Recepción P Identificación de fuente
> Enlace P Obtención de nivel de codificación
> Decodificación > Reproducción
El bloque central, conocido como "servidor en Java", es una aplicación que se ejecuta
en una PC, en este caso, la computadora embebida al vehículo. Dicha aplicación tiene
la función de enviar comandos al bloque "microcontrolador", por medio del puerto
paralelo. Esta transmisión se realiza utilizando un API del lenguaje de programación
Java (Interfaz para la Programación de Aplicaciones), especializado en
comunicaciones. El servidor en lenguaje de programación Java, captura el vídeo
proveniente del bloque "cámara web" para almacenarlas en disco y10 enviarlas por un
socket a través de la red local o lnternet hacia el bloque "Cliente (G.U.I.)" (Interfaz
Gráfica de Usuario).
El servidor Java recibe comandos provenientes del bloque "cliente (G.U.I.)" para el
movimiento de los servomotores.
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MECATR~NICA
El bloque "cliente (G.U.1)" consiste en una aplicación que se ejecuta en la computadora
de escritorio y tiene la función de proporcionar información general acerca del sistema.
El servidor Java recibe las secuencias de vídeo obtenidas de la cámara web, para ser
enviadas a la computadora de escritorio, lo anterior se realiza utilizando el API Java
Media Framework (JMF), que es una interfaz de programación de aplicaciones para
incorporar contenido multimedia dentro de aplicaciones y applets del lenguaje de
programación Java.
Este API proporciona las capacidades de captura y almacenamiento de datos de
multimedia, el procesamiento necesario para reproducir dichos datos de forma local, o
para transmitirlos por Internet.
4.1.3. Transmisión de video
Para la transmisión de vídeo por Internet, se hace uso del protocolo RTTP (Real Time
Transport Protocol), Protocolo Estándar de lnternet para el transporte de audio y vídeo.
Dicho protocolo está implementado dentro del API JMF y permite el desarrollo de
aplicaciones del lenguaje de programación Java, que manejen flujos de datos de
multimedia por Internet.
Solucionados estos problemas es posible enfocarse en la escritura de código Java para
la captura y transmisión del contenido multimedia. Se necesitan de cuatro etapas para
realizar éste proceso.
La fuente de datos, una abstracción que representa el audio, vídeo o la combinación
de ambos. Esta fuente de datos deberá ser un archivo o una cadena de elementos
multimedia y es construida por el director (Manager) y la locación del medio
multimedia (MediaLocator).
La clase reproductor, es usada para reproducir los archivos multimedia o las cadenas
streaming. El reproductor es construido del "MediaLocatoP o de una locación URL.
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MECATR~NICA
Una vez que el estado del reproductor es "listo", lo único que se tendrá que hacer es
llamar a la función, para comenzar con la reproducción del archivo multimedia.
1. El procesador es un tipo de reproductor, usado para manipular los datos y
convertirlos de un formato a otro.
2. El director "Manager" es una de las clases más importantes del JMF. Maneja la
construcción de los reproductores, procesadores y fuentes de datos.
El servidor recibe los comandos de control para el vehículo provenientes de la
computadora de escritorio (cliente) a través de la red local. Estos comandos a su vez,
son enviados hacia el vehículo, para lo cual se hace uso del API de comunicaciones
(Java Comm) para establecer una comunicación paralela entre el servidor y el
microcontrolador.
Para poder acceder al control del sistema, se desarrolló un programa cliente con
interfaz gráfica, con la cual el usuario interactúa con el sistema. Este programa se
realizó bajo el esquema de applets de lenguaje de programación Java. De ésta
manera, se tiene la capacidad de ejecutar el programa cliente en una gran variedad de
computadoras conectadas a la red sin importar el sistema operativo o el tipo de
hardware sobre el que se esté trabajando.
Dentro de las funciones de éste programa cliente destacan, el poder visualizar en
tiempo real lo que ocurre dentro del espacio de visión de la cámara web.
La secuencia para realizar la captura del vídeo desde el JMF es la siguiente (ver figura
4.3):
Entracla Captura
Procesamiento Compresibn
Salida Presentación
Figura 4.3 Modelo de procesamiento para datos multimedia
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Unidad Profesional Interdisaplinana en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas J) u :1
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MECATR~NICA
está conformada por cuadros de vídeo de tamaño y calidad específicos, la forma en
que se estructuran, se encuentra definida por el tipo de pista de vídeo que se trate. Los
datos multimedia contienen a menudo múltiples tipos de datos, llamados pistas, por
ejemplo, un archivo Quicktime puede contener una pista de vídeo y una pista de audio.
4.1.6 Salida
Para enviar los datos, previamente se creó una sesión RTP por la cual los datos ya
codificados, son enviados en paquetes UDP. JMF soporta la creación de sesiones
RTP, para que los datos sean enviados usando cualquier protocolo de red, sin embargo
en la mayoría de los casos se utiliza UDP, debido a las ventajas que ofrece para datos
multimedia en tiempo real.
Finalmente, se detiene el proceso y se cierra la sesión RTP. Esto se hace llamando
una función de paro, que se define previamente. Esta función se ejecuta
automáticamente después de 30 minutos, tiempo que dura la transmisión. Se escoge
éste lapso debido a que la carga en las baterías dura aproximadamente 60 minutos,
esto para que el sistema no falle por pérdida de energía, se detiene la transmisión en
éste intervalo.
4.1.7 Cliente Java
El cliente Java realiza las siguientes operaciones (ver figura 4.4),
Presentación de la , ,Decodificación de los :: Terminar sesión. :-*
información datos
Figura 4.4 Funciones realizadas por el cliente Java
Estado de espera ir ~ ~ i ~ i ~ ~ ~ e s i ó n RTP .- Abrir Puerto de destino .-.: .-:
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Se desarrolló un programa servidor, que muestra las imágenes enviadas por el
vehículo, las cuales pueden ser manipuladas. El programa comienza con la apertura de
la sesión RTP, y con el reconocimiento de los datos recibidos, para verificar si estos
tienen el formato correcto RTP.
Una vez abierta la sesión, se crea un buffer para el almacenamiento de los datos que
están en espera de ser decodificados y reproducidos, esto es parte del streaming. En
este caso el tamaño del buffer es de 350ms.
Los datos aún no llegan al destinatario, sólo se ha verificado la conexión RTP, ahora el
programa espera que los datos sean recibidos. Si es superado el tiempo establecido de
espera, (30 seg.) y los datos no han llegado, el programa se finaliza. Una vez que los
datos llegan, son almacenados en el buffer y después decodificados, la información
para la decodificación se encuentra en la cabecera de los paquetes RTP, con ésta
información el programa sólo tiene que utilizar el codificador-decodificador adecuado
para iniciar la reproducción.
4.1.8 Reproductor Java Media Framework (JMF)
Los pasos para desarrollar esta fase son:
1. Se construyen dos reproductores que reciben la información del servidor, el
primer reproductor muestra en pantalla el clip actual de vídeo y el segundo
reproductor se encarga de la descarga del siguiente clip y llegado el
momento de su reproducción.
2. Al llegar el fin del "clip", comenzará la reproducción. Un objeto llamado
EndofMediaEvent destruirá el "clip" anterior y creará un reproductor para el
nuevo "clip", estos pasos se repetirán continuamente.
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INSTITU~O POLIT~CNICO NACIONAL Unidad Profesional Interdisciplinana en Ingenieria y Tecnologias Avanzadas Y # :?
MECATRdNlCA
Con esto se completa el ciclo de emisión, recepción y reproducción del audiolvídeo. El
programa cliente y el programa servidor terminan con el cierre de la sesión RTP y de
los puertos utilizados, adicionalmente habrá que cerrar el reproductor.
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CAPITULO 5 INTEGRAC~ON DE SISTEMAS
Introducción
Para el proyecto Vehiculo Terrestre de Exploración se estudiaron diversos aspectos, en
el área mecánica referentes a la estructura del vehiculo, la cual cuenta con tracción en
las cuatro ruedas, transmisión de engranajes y diferenciales, un sistema de dos
amortiguadores por rueda y neumáticos que se ajustan a las superficies de prueba con
el máximo agarre, que son las necesidades básicas para asegurar la motricidad y
estabilidad en el vehículo, garantizando que así soporte los aditamentos que serán
instalados. En el área electrónica se utilizó un microcontrolador PIC que se programó
en lenguaje ensamblador, para controlar la velocidad y dirección del vehículo.
En el área de programación se desarrolló un programa en lenguaje Java, bajo la
estructura cliente-servidor, el cual mantiene la comunicación entre la computadora
embebida al vehículo y la computadora de escritorio, la cual es manipulada por el
operador.
5.1 FUNCIONAMIENTO DEL VEH~CULO TERRESTRE DE EXPLORACIÓN
Para el desarrollo del Vehiculo Terrestre de exploración es necesario instalar una
computadora embebida (servidor) y un equipo de adquisición de vídeo, por lo que es
indispensable que el vehículo cuente con una suspensión que absorba los impactos al
circular por las irregularidades del terreno, evitando dañar el equipo y a su vez impedir
la pérdida de información.
El vehículo puede transitar en terrenos relativamente sólidos (asfalto, terracería,
césped), con pendiente de aproximadamente 30', en donde la altura de las
irregularidades del terreno no exceda la medida del radio de las ruedas del vehículo,
otro punto importante es mantener la fuerza de tracción distribuida en las cuatro
ruedas, para evitar que derrape, se atasque o se atore durante el trayecto.
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INSTITUTO POLIT~CNICO NACIONAL , Unidad Profesional lnterdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas '"A 2s 1+%
MECATR~NICA
Estudiando el sistema mecánico que presenta el vehículo, (dos transmisiones,
diferencial, ocho amortiguadores, tracción en las cuatro ruedas). Se concluyó que las
especificaciones mecánicas del vehículo son las necesarias para el desarrollo del
proyecto.
Figura 5.1 Estructura mecánica Clod Buster 4WD
El sistema de comunicación está implementado sobre HTTP, el cual utiliza la
arquitectura cliente-servidor. Un servidor es una aplicación que ofrece un servicio a
usuarios de Internet, un cliente es el que pide ese servicio. En éste caso el servidor
será la computadora embebida y el servicio que ofrecerá será la transmisión del vídeo
captado por la cámara Web. El cliente será la computadora de escritorio que pedirá ver
el vídeo captado.
El problema de la videocomunicación consta de dos partes, la primera es el desarrollo
del servidor Java. El servidor Java se encarga del establecimiento de la comunicación,
así mismo de obtener, codificar y enviar los datos de vídeo.
El establecimiento de la comunicación por red se realiza utilizando la dirección IP del
cliente y un puerto de red, al cual llegarán los datos. Un puerto de red es una interfaz
para comunicarse con un programa a través de una red.
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INSTITWO POCI