Diseño y programación de algoritmos para robots Móviles: aplicación al robot LEGO-NXT

Diseño y Programación de Algoritmos para Robot Móviles. Aplicación al robot LEGO-NXT. PROYECTO FINAL DE CARRERA REALIZADO POR: ÁNGEL SORIANO VIGUERAS DIRIGIDO POR: ÁNGEL VALERA FERNÁNDEZ 2 3 Índice: 1.- Introducción.……….………………………………………………………………………………….……..……7 1.1. Introducción y justificación………………………………………………………………….….…….7 1.2. Objetivos……………………………………………………………..…………………………….….……..7 2.- Desarrollo Teórico.……….………………………………………………..…………………….….….………9 2.1. Introducción a la robótica……………………………………..……………………………..………9 2.2. Tipos de robots……………………………………………………………………………………………14 2.2.1. Robots Industriales……………………………………………………………..………….…14 2.2.1.1. Manipuladores…………………………………………………..…………………..14 2.2.1.2. Robots de repetición o aprendizaje……………………………….…….…15 2.2.1.3. Robots con control por computador…………………………………….…16 2.2.2. Robots Inteligentes…………………………………………………………………….………17 2.2.3. Micro-robots………………………………………………………………………………………18 2.3. Robótica Móvil…………………………………………………………………………………………..…19 2.3.1. Clasificación de los robots móviles……………………………..………………………19 2.3.1.1. Robots rodantes……………………………………………..…………………….…19 2.3.1.2. Robots andantes……………………………………………………….……………..21 2.3.1.3. Robots reptadores…………………………………………………….……………..22 2.3.1.4. Robots nadadores……………………………………………………..…………….23 2.3.1.5. Robots voladores………………………………………………………….……….…24 2.3.2. Componentes de un robot móvil……………………………………………..……….…25 2.3.2.1. Estructura………………………………………………………………….…………….25 2.3.2.2. Sensores……………………………………………………………………….……….…26 2.3.2.3. Actuadores………………………………………………………………..…………….29 2.3.2.4. Sistemas de control………………………………………………………………….29 2.3.2.5. Alimentación…………………………………………………………..……………….30 4 2.3.2.6. Comunicaciones……………………………………………………….………………35 2.4. USB……………………………………………………………………………………………………………….35 2.5. Comunicaciones inalámbricas…………………………………………………….…………………36 2.5.1. Wifi…………………………………………………………………………………………..…………36 2.5.2. Bluetooth………………………………………………………………………………….…………40 2.5.3. Otras alternativas………………………………………………………………..………………41 2.5.3.1. Zigbee………………………………………………………………………………………41 2.5.3.2. Infrarrojos………………………………………………………..………………………48 2.6. LEGO Nxt……………………………………………………………………………………………………….49 2.6.1. Ladrillo NXT…………………………………………………………………………….………..…50 2.6.2. Motores……………………………………………………………………………………….……..52 2.6.3. Sensores………………………………………………………………………………….………….53 2.6.3.1. Fabricados por LEGO………………………………………………………………..53 2.6.3.2. Fabricados por terceros………………………………………….………………..54 2.6.3.3. Personalizados…………………………………………………….………………..…54 2.6.4. Comunicaciones………………………………………………………………………………….54 2.6.5. Software………………………………………………………………………………….……….…58 2.6.5.1. LeJOS …….…………………………………………………………………..….…..……58 2.6.5.2. LEGO NXT-G……………………………………………………….…………….………58 2.6.5.3. RobotC……………………………………………………………………………….……59 2.6.5.4. Otras alternativas……………………………………………..…………………..…60 2.7. Entorno de desarrollo de software……………………………………………….…………….…63 2.7.1. Eclipse…………………………………………………………………………………………………63 2.7.2. NetBeans………………………………………………………………………………………….…64 3.- Desarrollo práctico………………………………………………………………………………………..…….66 3.1. Preámbulos y configuraciones……………………………………………………………….…….66 5 3.1.1. Montaje del robot NXT……………………………………………………………..…………66 3.1.2. Java Developement Kit………………………………………………………………….…….66 3.1.3. Instalación del driver USB de Lego……………………………………….………………66 3.1.4. Instalación de LejOS NXJ………………………………………………………………………66 3.1.5. Configuración del entorno de desarrollo (ECLIPSE)….………………………….67 3.2. Estudio de comunicaciones mediante Bluetooth…………………………………………..70 3.2.1. Instalación y configuración del dispositivo Bluetooth………………………….70 3.2.2. Configuración de librerías……………………………………………………………………71 3.2.3. Tiempos de conexión entre dispositivos………………………………………………71 3.2.4. Estudio de los posibles tipos de datos a transmitir……………….…………...72 3.3. Logger……………………………………………………………………………………………….…………..72 3.4. Concurrencia en Java. Hilos de ejecución…………………………………………….………..74 3.5. Simulador de corrección de trayectorias en tiempo real……………………………….74 3.6. Estudio del movimiento de los NXT……………………………………………………………….77 3.6.1. Tratamiento de las funciones de alto nivel………………………………………….77 3.6.2. Gestión de la trayectoria a bajo nivel…………………………………………..………77 3.7. Estrategias del control cinemático…………………………………………………………….…..78 3.7.1. Punto descentralizado………………………………………………………………………...78 3.7.2. Persecución pura…………………………………………………………………………………80 3.8. The ring: tratamiento de una trayectoria circular, constante, variable en tiempo real y compartida por múltiples robots en un mismo escenario……….82 3.8.1. Descripción de la aplicación y características………………………………………83 3.8.2. Metodología y desarrollo de la aplicación…………………………………………...83 3.8.3. Sistema de archivos, interfaz y ejecución…………………………..…………….….86 3.8.4. Problemas encontrados y soluciones…………………………………………………..91 3.9. Gestión de la visión……………………………………………………………………………………….92 6 3.10. El laberinto: generación de una trayectoria a través del reconocimiento de un escenario mediante una cámara cenital………………………………………………………..94 3.10.1. Descripción………………………………………………………………………….………………94 3.10.2. Metodología y desarrollo de la aplicación……………………………………………95 3.10.3. Sistema de archivos, interfaz y ejecución……………………………………………97 3.10.4. Problemas encontrados y soluciones………………………………………….…….102 4.- Conclusiones y futuros proyectos…………………………………………………………………….…107 5.- Bibliografía…………………………………………………………………………………………………………109 Anexo 1: Creación de los hilos de ejecución y variables compartidas………………….……111 Anexo2: Establecer una comunicación Bluetooth entre el PC y los robots NXT………..114 Anexo3: Tratamiento de imágenes con OpenCV para Java……………………………………….117 7 1.- Introducción 1.1. Introducción y justificación La búsqueda incesante del hombre por satisfacer su necesidad de comunicación ha sido el impulso que ha logrado la instauración de instrumentos y tecnologías cada día más poderosos y veloces en el proceso comunicativo. En las últimas décadas la aparición de la comunicación inalámbrica entre dispositivos se ha impuesto con el uso de teléfonos móviles, ordenadores portátiles, PDA’s y en general en cualquier dispositivo electrónico. Han aparecido diversos tipos de comunicación como Wifi, Bluetooth o infrarrojos, que aunque hasta el momento no ofrecen prestaciones tan altas como la comunicación por cable, no cabe duda que algún día lo harán. Al mismo tiempo la tecnología mecánica y electrónica también ha evolucionado y, dejando a un lado los estereotipos de los robots como máquinas que acaban descontrolándose y tomando iniciativa propia, poco a poco se han ido implantando en la sociedad como herramientas que facilitan tareas o resuelven problemas. Esta tecnología ha llegado incluso al campo de la educación, donde se pueden encontrar juguetes que realmente son auténticos robots en miniatura y que ofrecen tal versatilidad que se hace uso de ellos para llevar acabo investigaciones sobre problemas que podrían abordar más tarde robots más grandes. La automatización para que estos robots realicen tareas en diferentes entornos con los que tienen que interactuar mediante la integración de visión artificial, reconocimiento de formas, planificación de trayectorias, aún supone un reto en algunos aspectos y ocupa una gran parte de la línea de investigación dentro de la robótica. Este proyecto engloba el uso de las nuevas tecnologías mecánicas y electrónicas, como los robots de Lego Mindstorms NXT, con el uso de últimas tecnologías en comunicación, como el Bluetooth, y con el estudio de la automatización de seguimiento y generación de trayectorias de vehículos móviles. 1.2. Objetivos El principal objetivo de este proyecto es tratar de llegar a conocer en profundidad todas las opciones que ofrece el robot Lego Mindstorms NXT con el firmware LejOS y tratar de implementar en base a ese conocimiento diferentes aplicaciones que más tarde se puedan extrapolar a otros robots o escenarios. 8 Una lista de los objetivos que se han marcado en este proyecto:  Estudio del firmware LejOS para la plataforma Lego Mindstorm NXT.  Estudio de la comunicación vía Bluetooth entre robots NXT y el PC.  Analizar el uso de varios hilos en las comunicaciones.  Estudio de las estrategias de seguimiento de trayectorias.  Analizar las posibilidades de captura y reconocimiento de formas en imágenes a través de Java.  Estudio de algoritmos de generación de trayectorias y generación de splines.  Desarrollo de aplicaciones que hagan uso de los conocimientos adquiridos 9 2.- Desarrollo Teórico 2.1. Introducción a la robótica. El hombre durante toda su historia ha convivido con el deseo de construir máquinas capaces de realizar tareas que facilitasen su trabajo. Desde hace cientos de años antes de Cristo, ya se intentaban crear dispositivos, denominados artefactos o máquinas, que tuvieran un movimiento sin fin y que no estuvieran controlados ni supervisados por personas. Los primeros autómatas que aparecen en la historia son ingenios mecánicos, más o menos complicados, que desarrollaban una tarea de forma continua. Sin embargo, las primeras máquinas construidas no tenían una utilidad práctica, sino que su principal objetivo era entretener a sus dueños. Generalmente funcionaban por medio de movimientos ascendentes de aire o agua caliente. El vertido progresivo de un líquido o la caída de un peso provocaba rupturas de equilibrio en diversos recipientes provistos de válvulas; otros mecanismos se basaban en palancas o contrapesos. Mediante sistemas de este tipo se construían pájaros artificiales que podían “cantar" o "volar", o puertas que se abrían solas. El origen de los autómatas se remonta al Antiguo Egipto, donde las estatuas de algunos de sus dioses despedían fuego por los ojos, poseían brazos mecánicos manejados por los sacerdotes del templo o emitían sonidos cuando los rayos del sol los iluminaba. Estos ingenios pretendían causar temor y respeto entre la gente del pueblo. Sin embargo, los primeros datos descriptivos acerca de la construcción de un autómata aparecen en el siglo I. El matemático, físico e inventor griego Herón de Alejandría describe múltiples ingenios mecánicos en su libro Los Autómatas, por ejemplo aves que vuelan, gorjean y beben. Figura 1: Herón junto a uno de sus inventos, un dispensador de agua sagrada operado por monedas: 16 Figura 10: Robot Pingüino de aprendizaje 2.2.1.3. Robots con control por computador Son manipuladores o sistemas mecánicos multifuncionales, controlados por un computador, que habitualmente suele ser un microordenador. El control por computador dispone de un lenguaje específico de programación, compuesto por varias instrucciones adaptadas al hardware del robot, con las que se puede diseñar un programa de aplicación utilizando solo el ordenador. A esta programación se le denomina “textual” y se crea sin la intervención del manipulador. Las grandes ventajas que ofrece este tipo de robots, hacen que se vayan imponiendo en el mercado rápidamente, lo que exige la preparación urgente de personal cualificado, capaz de desarrollar programas de control que permitan el manejo del robot. 17 Figura 11: Robot FANUC 2.2.2. Robots Inteligentes Son similares a los del grupo anterior, pero tienen la capacidad de poder relacionarse con el mundo que les rodea a través de sensores y de tomar decisiones en función de la información obtenida en tiempo real. De momento, son muy poco conocidos en el mercado y se encuentran en fase experimental, donde grupos de investigadores se esfuerzan por hacerlos más efectivos, al mismo tiempo que más económicamente asequibles. El reconocimiento de imágenes y algunas técnicas de inteligencia artificial son los campos que más se están estudiando para su posible aplicación en estos robots. Figura 12: Robot ASIMO de Honda 18 2.2.3. Micro-robots Con fines educacionales, de entretenimiento o investigación, existen numerosos robots de formación o micro-robots a un precio muy asequible, cuya estructura y funcionamiento son similares a los de aplicación industrial. Figura 13: Robot Smoovy Estos robots que un día se hicieron un hueco en universidades y centros de investigación, puesto que eran una forma económica de experimentar con múltiples tareas robóticas, hoy en día se pueden encontrar en centros docentes de todo tipo, incluidas escuelas de primaria e institutos. El personal de dichos centros ha apostado por este tipo de robots para estimular el interés de sus alumnos por la ciencia y la tecnología y los resultados son como se ha podido observar altamente satisfactorios. Figura 14: Robot LEGO 19 2.3. Robótica Móvil En el apartado anterior se ha realizado un desglose de los diferentes tipos de robots existentes atendiendo a su aplicación, pero más allá de este aspecto práctico hay otro hecho característico de los robots modernos que les confiere un mayor grado de libertad y utilidad. Esta característica es el movimiento en el espacio físico, es decir, la posibilidad de desplazarse por el entorno para observarlo e interactuar con él, y de esta forma emular con mayor fidelidad las funciones y capacidades de los seres vivos. 2.3.1. Clasificación de los robots móviles De la misma forma que se ha descrito en el apartado anterior en base a diferentes criterios se puede establecer una taxonomía dentro del colectivo de los robots móviles. Si por ejemplo se atiende a sus características estructurales y funcionales se puede establecer la siguiente clasificación: 2.3.1.1. Robots rodantes Son aquellos que, como su nombre indica, se desplazan haciendo uso de ruedas, generalmente montadas por pares en una configuración 2+2 como las de un vehículo por mera simplicidad. Habitualmente solo dos de sus ruedas presentan tracción y otras dos dirección, de forma que sea posible maniobrar el robot con un solo servomotor. Figura 25: Robot rodante dotado de 4 ruedas en configuración 2+2 También es frecuente encontrar distribuciones de ruedas montadas en modo triciclo, donde una rueda sirve para la dirección y las otras dos aportan la tracción. Otra opción es que la tercera rueda simplemente sea una rueda ‘loca’ y las otras dos aporten tanto la tracción como la dirección, mediante el método de las orugas tratado más adelante. 20 Figura 36: Robot rodante con las ruedas en configuración triciclo Existen algunos casos especiales en los que se usan otras configuraciones que dotan al robot de mejor adaptación a terrenos difíciles. En estos casos los algoritmos de control de movimiento adquieren una mayor complejidad, proporcional al número de elementos direccionables de forma independiente. Figura 47: Robot rodante de 6 ruedas con dirección independiente frontal y trasera Por último cabría considerar a los robots con orugas como un tipo de robot rodante en el que se substituyen las ruedas por un mecanismo de oruga para la tracción. La dirección se consigue parando una de las orugas o haciéndolas girar en sentido contrario. 21 Figura 58: Robot rodante dotado de orugas 2.3.1.2. Robots andantes Respecto a los robots construidos a imagen y semejanza humana, con dos piernas, las técnicas de control necesarias son varias, pero todas ellas hacen uso de compLeJOS algoritmos para poder mantener el equilibrio y caminar correctamente. Todos ellos son capaces de caminar bien sobre suelos planos y subir escaleras en algunos casos, pero no están preparados para caminar en suelos irregulares. Algunos incluso pueden realizar tareas como bailar, luchar o practicar deportes, pero esto requiere una programación sumamente compleja que no siempre está a la altura del hardware del robot y de su capacidad de procesamiento. 22 Figura 19: Robot humanoide Robonova. 2.3.1.3. Robots reptadores Una clase curiosa de robots, creados basándose en animales como las serpientes, su forma de desplazarse es también una imitación de la usada por estos animales. Están formados por un número elevado de secciones que pueden cambiar de tamaño o posición de forma independiente de las demás pero coordinada, de forma que en conjunto provoquen el desplazamiento del robot. Figura 206: Robot reptador 23 2.3.1.4. Robots nadadores Estos robots son capaces de desenvolverse en el medio acuático, generalmente enfocados a tareas de exploración submarina en zonas donde no es posible llegar pos ser de difícil acceso o estar a profundidades que el cuerpo humano no tolera. Figura 21: Robot pez Figura 22: Robot ballena Aparte de lo puramente anecdótico, se ha demostrado que la estructura corporal de los peces así como el movimiento que realizan durante su desplazamiento en el agua, es uno de los métodos más óptimos de movimiento submarino dado que aprovecha la energía de forma muy eficiente y permite mayor control en la navegación, produciendo mucho menos ruido y turbulencias. Es por todo esto que se está tendiendo a estudiar y emular en lo posible el comportamiento de estos animales a la hora de crear nuevos robots subacuáticos. 24 Figura 7: Atún robótico 2.3.1.5. Robots voladores Conquistados los dominios del mar y la tierra solo queda una meta por alcanzar en el mundo de la robótica, ser capaces de poner robots en el cielo. Para ello y por el momento existen dos aproximaciones, en función de su principio de vuelo y estructura:  Helicópteros: habitualmente helicópteros RC convencionales a los que se les añade la electrónica necesaria para tener visión artificial y capacidad de toma de decisiones autónoma. Figura 8: Helicóptero robótico 25  Drones o aviones no tripulados: actualmente en uso por el ejército de EEUU para tareas de logística en operaciones militares, apoyo cartográfico así como tareas de espionaje. Aunque no es habitual pueden estar dotados tanto de contramedidas para repeler agresiones como de armamento para realizar ataques. Figura 9: Drone (robot volador militar no tripulado) 2.3.2. Componentes de un robot móvil Vistos los principales tipos de robots móviles que se construyen en la actualidad, a continuación se detallan las partes constituyentes de los robots, tanto estructurales, como mecánicas y electrónicas. 2.3.2.1. Estructura La estructura es el esqueleto, el soporte fundamental que constituye tanto la forma como la funcionalidad del robot. Sirve de sujeción para toda la electrónica, sensores, actuadores y también es parte del aparato motriz como prolongación de los actuadores. Está formada generalmente por una mezcla de partes rígidas y flexibles, fijas y móviles y entre sus materiales destacan los plásticos, metales y aleaciones resistentes a la par que ligeras como la fibra de carbono o derivados del aluminio. 32 Si el presupuesto no es un problema se pueden usar tecnologías más avanzadas como las baterías de ion de litio que últimamente están sufriendo una gran expansión gracias a tecnologías móviles de otra índoles como ordenadores portátiles y teléfonos móviles. Figura 3816: Amplio surtido de baterías de Ion de Litio La diferencia de rendimiento de unos tipos de pilas respecto a otros es notable, así como su tamaño y precio, por lo tanto es importante tener claros los requerimientos del robot respecto a estos aspectos antes de decidir qué tipo de batería se va a utilizar para alimentarlo. Figura 3917: Gráfico comparativo del rendimiento de diferentes tipos de baterías 33  Bombonas de aire: usadas tanto para el movimiento de actuadores neumáticos como para la propulsión de motores de aire. Este tipo de motores tiene una larga historia, pese a que su difusión es reducida. Su principio es equivalente al de los motores de explosión, con la salvedad que en lugar de producir la combustión de gasolina y oxígeno para generar los gases que impulsan los pistones, se usa directamente aire almacenado en un depósito a alta presión. Figura 4018: Diferentes tipos de bombonas de aire comprimido  Baterías inerciales: este curioso mecanismo tampoco tiene una difusión amplia en el terreno de los robots móviles, pero si tiene aplicación e entornos donde la alimentación es crítica, como centros de proceso de datos. Fue probada en vehículos durante sus albores, concretamente en autobuses urbanos de Zúrich durante los años 50 y algunas locomotoras de tren durante los 70, pero no se ha extendido su uso de forma masiva. El principio de funcionamiento es sencillo: se acelera un rotor (habitualmente mediante electricidad) confiriéndole así una elevada energía rotacional, típicamente de varias decenas de miles de rpm. Posteriormente se decelera poco a poco, recuperando así la energía eléctrica de nuevo. Figura 4119: Sección de una batería inercial 34 La clave del aprovechamiento energético, que oscila entre el 90% y el 98%, consiste en reducir al máximo el rozamiento. Esto se consigue mediante usando un rotor de carbono (que presenta menos resistencia que el acero) estabilizado magnéticamente en un entorno controlado, generalmente un contenedor sellado tras realizarle el vacío.  Células de hidrogeno: Otra tecnología emergente que poco a poco está demostrando su validez son las baterías formadas a base de células que usan el hidrógeno como combustible para producir electricidad. Su funcionamiento se basa en una reacción química al igual que en las baterías tradicionales pero a diferencia de ellas, aquí no se producen cambios de estado en los electrodos o en los reactantes. Simplemente se consumen los reactantes y la reacción se produce prácticamente de forma indefinida mientras haya suficiente combustible para sustentar el proceso. Figura 202: Célula de hidrógeno Las principales ventajas son su elevado rendimiento así como su larga vida, que va asociada a la práctica ausencia de mantenimiento que necesitan. En contraposición el combustible a día de hoy todavía es relativamente caro y difícil de conseguir aunque esta situación mejorará cuando haya una mayor demanda de estas células.  Biomasa: Una fuente de energía muy interesante y que aun se encuentra por explotar. Pequeñas cantidades de basura orgánica permitirían alimentar durante horas un dispositivo dotado de esta tecnología. A parte del ahorro económico que supone, tiene especial interés en zonas sin acceso directo a fuentes de energía o en momentos de conflicto militar donde frecuentemente escasean los suministros energéticos. 35 Figura 43: Caldera de biomasa.  Células nucleares: Se basan en las emisiones de un isótopo radioactivo para obtener energía. Hay diversas técnicas para realizar la conversión de las radiaciones en energía eléctrica aprovechable, pero el resultado es el mismo. Poseen una larga vida útil pero su peligrosidad desaconseja su uso.  Motor de combustión: El más conocido entre los sistemas de propulsión. Se usan motores muy similares a los de los vehículos, sobre todo los que llevan las motocicletas. Como combustible una mezcla de aceite y gasolina u otros elementos volátiles como el etanol. Se pueden utilizar tanto para obtener energía mecánica como energía eléctrica si añadimos un generador. 2.3.2.6. Comunicaciones Dado que este es uno de los aspectos sobre los que versan las experiencias realizadas en este proyecto, se le dedicara el apartado siguiente a este tema, de forma que se traten en profundidad las características más relevantes: 2.4. USB El Universal Serial Bus (bus universal en serie) o Conductor Universal en Serie (CUS), abreviado comúnmente USB, es un puerto de comunicación de periféricos a un computador. Fue creado en 1996 con la finalidad de eliminar la necesidad de adquirir tarjetas separadas para poner en los puertos de bus ISA o PCI y mejorar las capacidades plug-and-play permitiendo a esos dispositivos ser conectados o desconectados sin necesidad de reiniciar el sistema. Sin embargo, en aplicaciones donde se necesita ancho de banda para grandes transferencias de datos los buses PCI o PCIe salen ganando e igual sucede si la aplicación requiere robustez industrial. Se pueden clasificar en cuatro tipos según su velocidad de transferencia de datos: 36 - Baja velocidad (1.0): Tasa de transferencia de hasta 1,5 Mbps (192KB/s). Utilizado en su mayor parte por dispositivos de interfaz humana como los teclados, ratones e incluso artículos del hogar. - Velocidad completa (1.1): Tasa de transferencia de hasta 12Mbps (1,5MB/s), según el estándar, pero se dice en fuentes independientes que habría que realizar nuevamente las mediciones. - Alta velocidad (2.0): Tasa de transferencia de hasta 480 Mbps (60MB/s) pero por lo general de hasta 125Mbps (16MB/s). Está presente casi en el 99% de los ordenadores actuales. El cable USB 2.0 dispone de cuatro líneas, una para datos, una para corriente y otra de toma de tierra. - Super alta velocidad (3.0): Actualmente se encuentra en fase experimental y tiene una tasa de transferencia de hasta 4.8 Gbps (600MB/s). Esta especificación será diez veces más veloz que la anterior 2.0 y prevé su lanzamiento a corto plazo. Se han incluido cinco conectores extra, desechando el conector de fibra óptica propuesto inicialmente y será compatible con los estándares anteriores. Figura 44: Prototipo de USB 3.0 2.5. Comunicaciones inalámbricas 2.5.1. Wifi WLAN (Wireless Local Area Network, en inglés) es un sistema de comunicación de datos inalámbrico flexible, muy utilizado como alternativa a las redes LAN cableadas o como extensión de éstas. Utiliza tecnología de radiofrecuencia que permite mayor movilidad a los usuarios al minimizar las conexiones cableadas. Las WLAN van adquiriendo importancia en muchos campos, como almacenes o para manufactura, en los que se transmite la información en tiempo real a una terminal central. También son 37 muy populares en los hogares para compartir el acceso a Internet entre varias computadoras. Características  Movilidad: permite transmitir información en tiempo real en cualquier lugar de la organización o empresa a cualquier usuario. Esto supone mayor productividad y posibilidades de servicio.  Facilidad de instalación: al no usar cables, se evitan obras para tirar cable por muros y techos, mejorando así el aspecto y la habitabilidad de los locales, y reduciendo el tiempo de instalación. También permite el acceso instantáneo a usuarios temporales de la red.  Flexibilidad: puede llegar donde el cable no puede, superando mayor número de obstáculos, llegando a atravesar paredes. Así, es útil en zonas donde el cableado no es posible o es muy costoso: parques naturales, reservas o zonas escarpadas. Inicios Los pioneros en el uso de redes inalámbricas han sido los radioaficionados mediante sus emisoras, que ofrecen una velocidad de 9600 bps. Pero si hablamos propiamente de redes inalámbricas debemos remontarnos al año 1997, en el que el organismo regulador IEEE (Institute of Electronics and Electrical Engineer) publicó el estándar 802.11 (802 hace referencia al grupo de documentos que describen las características de las LAN) dedicado a redes LAN inalámbricas. Dentro de este mismo campo y anteriormente, en el año 1995, tenemos la aparición de Bluetooth, una tecnología de Ericsson con el objetivo de conectar mediante ondas de radio los teléfonos móviles con diversos accesorios. Al poco tiempo se generó un grupo de estudio formado por fabricantes que estaban interesados en esta tecnología para aplicarla a otros dispositivos, como PDAs, terminales móviles o incluso electrodomésticos. Pero el verdadero desarrollo de este tipo de redes surgió a partir de que la FCC, el organismo americano encargado de regular las emisiones radioeléctricas, aprobó el uso civil de la tecnología de transmisiones de espectro disperso (SS o spread spectrum, en inglés), pese a que en un principio lo prohibió por el uso ampliado del espectro. Dicha tecnología ya se usaba en ámbitos militares desde la Segunda Guerra Mundial debido a sus extraordinarias características en cuanto a la dificultad de su detección y su tolerancia a interferencias externas. A pesar, de que como hemos visto, esta tecnología ya tiene una antigüedad de más de diez años, no ha sido hasta ahora cuando este tipo de redes se ha desarrollado eficazmente debido a la disminución de precios de los dispositivos que la integran. En 38 la actualidad cada vez más se encuentran equipos que pueden competir en precios con los modelos para redes cableadas. Cómo trabajan las redes WLAN Se utilizan ondas de radio para llevar la información de un punto a otro sin necesidad de un medio físico guiado. Al hablar de ondas de radio nos referimos normalmente a portadoras de radio, sobre las que va la información, ya que realizan la función de llevar la energía a un receptor remoto. Los datos a transmitir se superponen a la portadora de radio y de este modo pueden ser extraídos exactamente en el receptor final. A este proceso se le llama modulación de la portadora por la información que está siendo transmitida. Si las ondas son transmitidas a distintas frecuencias de radio, varias portadoras pueden existir en igual tiempo y espacio sin interferir entre ellas. Para extraer los datos el receptor se sitúa en una determinada frecuencia, frecuencia portadora, ignorando el resto. En una configuración típica de LAN sin cable los puntos de acceso (transceiver) conectan la red cableada de un lugar fijo mediante cableado normalizado. El punto de acceso recibe la información, la almacena y la transmite entre la WLAN y la LAN cableada. Un único punto de acceso puede soportar un pequeño grupo de usuarios y puede funcionar en un rango de al menos treinta metros y hasta varios cientos. El punto de acceso (o la antena conectada al punto de acceso) es normalmente colocado en alto pero podría colocarse en cualquier lugar en que se obtenga la cobertura de radio deseada. El usuario final accede a la red WLAN a través de adaptadores. Estos proporcionan una interfaz entre el sistema de operación de red del cliente y las ondas, mediante una antena. La naturaleza de la conexión sin cable es transparente a la capa del cliente. Configuraciones de red para radiofrecuencia Pueden ser de muy diversos tipos y tan simples o complejas como sea necesario. La más básica se da entre dos ordenadores equipados con tarjetas adaptadoras para WLAN, de modo que pueden poner en funcionamiento una red independiente siempre que estén dentro del área que cubre cada uno. Esto es llamado red de igual a igual (peer to peer). Cada cliente tendría únicamente acceso a los recursos del otro cliente pero no a un servidor central. Este tipo de redes no requiere administración o preconfiguración. Instalando un Punto de Acceso se puede doblar la distancia a la cual los dispositivos pueden comunicarse, ya que estos actúan como repetidores. Desde que el punto de acceso se conecta a la red cableada cualquier cliente tiene acceso a los recursos del servidor y además gestionan el tráfico de la red entre los terminales más próximos. 39 Cada punto de acceso puede servir a varias máquinas, según el tipo y el número de transmisiones que tienen lugar. Existen muchas aplicaciones en el mundo real con un rango de 15 a 50 dispositivos cliente con un solo punto de acceso. Los puntos de acceso tienen un alcance finito, del orden de 150 m en lugares u zonas abiertas. En zonas grandes como por ejemplo un campus universitario o un edificio es probablemente necesario más de un punto de acceso. La meta es cubrir el área con células que solapen sus áreas de modo que los clientes puedan moverse sin cortes entre un grupo de puntos de acceso. Esto es llamado roaming, mediante el cual el diseñador de la red puede elegir usar un Punto de Extensión (EPs) para aumentar el número de puntos de acceso a la red, de modo que funcionan como tales pero no están enganchados a la red cableada como los puntos de acceso. Los puntos de extensión funcionan como su nombre indica: extienden el alcance de la red retransmitiendo las señales de un cliente a un punto de acceso o a otro punto de extensión. Los puntos de extensión pueden encadenarse para pasar mensajes entre un punto de acceso y clientes lejanos de modo que se construye un puente entre ambos. Uno de los últimos componentes a considerar en el equipo de una WLAN es la antena direccional. Por ejemplo: si se quiere una LAN sin cable a otro edificio a 1 km de distancia. Una solución puede ser instalar una antena en cada edificio con línea de visión directa. La antena del primer edificio está conectada a la red cableada mediante un punto de acceso. Igualmente en el segundo edificio se conecta un punto de acceso, lo cual permite una conexión sin cable en esta aplicación. Asignación de Canales Los estándares 802.11b y 802.11g utilizan la banda de 2.4 – 2.5 Ghz. En esta banda, se definieron 11 canales utilizables por equipos WIFI, los que pueden configurarse de acuerdo a necesidades particulares. Sin embargo, los 11 canales no son completamente independientes (canales contiguos se superponen y se producen interferencias) y en la práctica sólo se pueden utilizar 3 canales en forma simultánea (1, 6 y 11). Esto es correcto para USA y muchos países de América Latina, pues en Europa, el ETSI ha definido 13 canales. En este caso, por ejemplo en España, se pueden utilizar 4 canales no-adyacentes (1, 5, 9 y 13). Esta asignación de canales usualmente se hace sólo en el Access Point, pues los “clientes” automáticamente detectan el canal, salvo en los casos en que se forma una red “Ad-Hoc” o punto a punto cuando no existe Access Point. 40 Seguridad Uno de los problemas de este tipo de redes es precisamente la seguridad ya que cualquier persona con una terminal inalámbrica podría comunicarse con un punto de acceso privado si no se disponen de las medidas de seguridad adecuadas. Dichas medidas van encaminadas en dos sentidos: por una parte está el cifrado de los datos que se transmiten y en otro plano, pero igualmente importante, se considera la autenticación entre los diversos usuarios de la red. En el caso del cifrado se están realizando diversas investigaciones ya que los sistemas considerados inicialmente se han conseguido descifrar. Para la autenticación se ha tomado como base el protocolo de verificación EAP (Extesible Authentication Protocol), que es bastante flexible y permite el uso de diferentes algoritmos. 2.5.2. Bluetooth Bluetooth proviene de la palabra escandinava “Blåtand” que significa “hombre de tez oscura” pero en los tiempos que corren el significado original se ha perdido y ahora se asocia a las comunicaciones inalámbricas, un estándar global que posibilita la transmisión de voz, imágenes y en general datos entre diferentes dispositivos en un radio de corto alcance y lo que le hace más atractivo, muy bajo coste. Los principales objetivos que este estándar quiere lograr son:  Facilitar las comunicaciones entre equipos.  Eliminar cables y conectores entre aquéllos.  Facilitar el intercambio de datos entre los equipos. Bluetooth funciona bajo radio frecuencias pudiendo atravesar diferentes obstáculos para llegar a los dispositivos que tenga a su alcance. Opera bajo la franja de frecuencias 2.4 – 2.48 GHz o como también es conocida como “Banda ISM” que significa “Industrial, Scientific and Medical” que es una banda libre para usada para investigar por los tres organismos anteriores. Pero esto tiene sus consecuencias, ya que al ser libre puede ser utilizada por cualquiera y para ello, para evitar las múltiples interferencias que se pudieran introducir (microondas, WLANs, mandos, etc.) Bluetooth utiliza una técnica denominada salto de frecuencias. El funcionamiento es ir cambiando de frecuencia y mantenerse en cada una un “slot” de tiempo para después volver a saltar a otra diferente. Es conocido que entre salto y salto el tiempo que transcurre es muy pequeño, concretamente unos 625 microsegundos con lo que al cabo de un segundo se puede haber cambiado 1600 veces de frecuencia. Cuando coinciden más de un dispositivo bluetooth en un mismo canal de transmisión se forma lo que se llaman “piconets” que son redes donde hay un maestro 41 que es el que gestiona la comunicación de la red y establece su reloj y unos esclavos que escuchan al maestro y sincronizan su reloj con el del maestro. Dicho alcance puede variar según la potencia a la que se transmite (a mayor potencia mayor consumo y menor autonomía para el dispositivo) y el número de repetidores que haya por el medio. Así el alcance puede estar entre los 10 y 100 metros de distancia (los repetidores provocan la introducción de distorsión que puede perjudicar los datos transmitidos). Bluetooth puede conectar muchos tipos de aparatos sin necesidad de un solo cable, aportando una mayor libertad de movimiento. Por esta razón ya se ha convertido en una norma común mundial para la conexión inalámbrica. En el futuro, es probable que sea una norma utilizada en millones de teléfonos móviles, PC, ordenadores portátiles y varios tipos de aparatos electrónicos, como por ejemplo:  Domótica (activación de alarmas, subida de persianas, etc.).  Sector automovilístico (comunicación con otros vehículos).  Medios de pago. En una comunicación Bluetooth se pueden alcanzar tasas de transmisión de datos de 720 kbps (1 Mbps de capacidad bruta) con un rango óptimo de 10 metros (como se ha comentado antes 100 metros con repetidores). 2.5.3. Otras alternativas 2.5.3.1. Zigbee ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radios digitales de bajo consumo, basada en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal (wireless personal area network, WPAN). Su objetivo son las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías. En principio, el ámbito donde se prevé que esta tecnología cobre más fuerza es en domótica, como puede verse en los documentos de la ZigBee Alliance, en las referencias bibliográficas que se dan más abajo es el documento «ZigBee y Domótica». La razón de ello son diversas características que lo diferencian de otras tecnologías:  Su bajo consumo  Su topología de red en malla  Su fácil integración (se pueden fabricar nodos con muy poca electrónica). 48 Este sistema se usa típicamente en los sistemas de seguridad, en los cuales sus dispositivos (sensores, detectores de movimiento o de rotura de cristales), duermen prácticamente todo el tiempo (el 99,999%). Para que se les tenga en cuenta, estos elementos se "despiertan" de forma regular para anunciar que siguen en la red. Cuando se produce un evento (en nuestro sistema será cuando se detecta algo), el sensor "despierta" instantáneamente y transmite la alarma correspondiente. Es en ese momento cuando el coordinador de red, recibe el mensaje enviado por el sensor, y activa la alarma correspondiente. En este caso, el coordinador de red se alimenta de la red principal durante todo el tiempo. Futuro Se espera que los módulos ZigBee sean los transmisores inalámbricos más baratos de la historia, y además producidos de forma masiva. Tendrán un coste aproximado de alrededor de los 6 euros, y dispondrán de una antena integrada, control de frecuencia y una pequeña batería. Ofrecerán una solución tan económica porque la radio se puede fabricar con muchos menos circuitos analógicos de los que se necesitan habitualmente. 2.5.3.2. Infrarrojos Muy extendido y popular en aparatos electrónicos de pequeño alcance como mandos a distancia o periféricos inalámbricos de ordenador. Se basa en un principio sencillo, modular los datos que transmite en trenes de pulsos de diferente longitud y duración. Es el mismo principio que se usa en el código morse para transmitir letras del alfabeto. Utiliza generalmente para la emisión diodos LED que emiten en el espectro infrarrojo que resulta invisible para el ojo humano. Para la recepción se usaron en primer lugar fotodiodos u otro tipo de componentes pasivos que fueran capaces de reaccionar ante la luz recibida y que han sido cambiados recientemente por circuitos integrados que incorporan algún componente sensible a la luz como fototransistores o los mismo fotodiodos pero que además incluyen toda la electrónica necesaria para procesar las señales recibidas, simplificando en gran medida los componentes adicionales necesarios para montar un circuito receptor de este tipo de señal. Su ventaja como hemos visto, es su sencillez y amplia difusión, añadida al hecho de que los componentes necesarios para su uso son realmente económicos. Su principal desventaja es su alcance, que sin complejos juegos de lentes difícilmente llega a la decena de metros y más importante aún, la necesidad de tener una línea visual directa y despejada de objetos opacos entre emisor y receptor. 49 Esta problemática hace este método de comunicaciones poco adecuado para su uso con robots móviles, que con mucha facilidad pueden dejar de cumplir los requisitos de visibilidad emisor-receptor comentado. Pese a esto, ha sido utilizado en algunos robots comerciales, como es el caso del predecesor del LEGO Minstorms NXT, el modelo RCX. 2.6. LEGO NXT De todos es sabido el largo camino que lleva recorrido la firma Lego en lo que se conoce como ‘construcciones’, es decir, juguetes dirigidos a un público generalmente infantil o adolescente. Esta andadura empezó en el año 1934 en Dinamarca y con el tiempo fue cobrando popularidad entre padres, hijos y sobretodo educadores que veían en estos juguetes una forma muy interesante de divertir y a la vez potenciar la creatividad de sus hijos y alumnos. La oferta de juguetes va desde los pocos meses de edad hasta la adolescencia e incluso un poco más allá, contando con temáticas urbanas, submarinas e incluso espaciales. Entre todas estas líneas cabe destacar una que desde el principio ha contado ha despertado la curiosidad de determinado sector de público, en el que podían englobarse ingenieros y apasionados de la técnica. Hablamos de la denominada línea Technic. La principal característica de esta gama de juguetes y la que sin duda la ha hecho tan famosa, es el peculiar enfoque de construcción que ha concebido Lego con ella. Este enfoque se aparta del juguete tradicional y experimenta con elementos propios de la tecnología actual, tanto en mecánica como en electrónica. Así, entre las piezas de estos ‘kits’ se encuentran engranajes, ejes, motores eléctricos, cables y hasta elementos tan concretos como levas y pistones, juntas cardan y amortiguadores. Figura 45: De izquierda. a derecha, engranaje, junta cardan, motor y cable de LEGO Con estos elementos se emula a la perfección la realidad y se permite construir representaciones a escala de vehículos y sistemas con mecanismos a imagen y semejanza de sus modelos reales, teniendo incluso un funcionamiento análogo o lo más aproximado posible, a como lo hacen dichos dispositivos en la realidad. 50 Figura 21: Diferentes modelos de la línea LEGO Technic Sin embargo, los tiempos en que los juguetes tradicionales, y en especial las construcciones, reinaban entre sus potenciales consumidores están tocando a su fin de la mano de la revolución tecnológica. De esta forma han sido prácticamente desbancados por dispositivos con silicio en sus entrañas, como consolas, ordenadores y demás parafernalia electrónica. LEGO por lo tanto, siguiendo el ejemplo de sus clientes, no se ha conformado con ésta aproximación a la tecnología moderna de finales de siglo, en su día revolucionaria, sino que como mandan los tiempos ha decidido ir más allá. 2.6.1. Ladrillo NXT Tradicionalmente la línea Technic de LEGO ha hecho sus incursiones en el campo de la tecnología electrónica, añadiendo a su oferta de luces, motores, baterías y mandos con hilos que pese al atractivo que ofrecían en si día, han quedado atrás frente a los elementos de última tecnología que a día de hoy copan el mercado de la electrónica de consumo. Por ello, LEGO ha tomado el testigo tecnológico incorporando lo que ha venido a llamarse como ‘bricks’ o ‘ladrillos’ inteligentes a varias de sus líneas de productos. Figura 47: De izquierda a derecha versiones RCX y NXT del ladrillo de control 51 Estos ‘ladrillos’, proveen de una unidad de control para robots o sistemas electrónicos avanzados que permite implementar escenarios hasta el momento impensables en un juego de construcciones, incluso los de la línea Technic de la propia marca. Su corazón está formado por un microcontrolador o procesador, que en sus últimas versiones ha alcanzado grados de potencia sorprendentes si pensamos en ellos como en un juguete. Por ello, cada vez más personas se han interesado en estos sistemas, no sólo para la docencia o el ocio, sino incluso para la investigación. Prácticamente todas las universidades a nivel mundial poseen ya kits de LEGO con estos bricks inteligentes y se usan en las ramas de la enseñanza y investigación como las relacionadas con la robótica o la mecatrónica. El modelo usado en la realización de las experiencias que comprende este trabajo es el último disponible en el mercado, el Mindstorms NXT. Este está formado por un kit que incluye: el brick NXT, múltiples sensores (luz/color, ultrasonidos, contacto, sonido) motores y cableado eléctrico, y el set de construcción habitual de la línea Technic, formado por miles de piezas de construcción, engranajes, ejes correas y poleas. A continuación una lista de las características electrónicas del brick NXT, extraídas del manual de LEGO: Procesador principal: Atmel® 32-bit ARM® processor, AT91SAM7S256 - 256 KB FLASH - 64 KB RAM - 48 MHz Co-procesador: Atmel® 8-bit AVR processor, ATmega48 - 4 KB FLASH - 512 Byte RAM - 8 MHz Unidad de comunicaciones Bluetooth CSR BlueCoreTM 4 v2.0 + EDR System - Soporte de Serial Port Profile (SPP) - 47 KByte RAM Internos - 8 MBit FLASH Externos - 26 MHz Comunicación vía USB 2.0 (12 Mbit/s) 4 puertos de entrada con interfaz de 6 hilos y soporte para conexiones AD y DA - 1 puerto de alta velocidad, IEC 61158 Tipo 4/EN 50170 compatible - todos los puertos de entrada cuentan con soporte del bus I²C 3 puertos de salida con interfaz de 6 hilos y soporte para lectura desde encoders 52 Conectores de 6 hilos estándar industrial, RJ12 con ajuste a derechas Display grafico LCD de 100 x 64 píxel (blanco y negro) - Área de visión de 26 x 40.6 mm Altavoz de salida con resolución de 8-bit - Soporta tasas de muestreo de 2 a 16 KHz 4 botones de goma para interacción con el usuario Alimentación: 6 pilas de tipo AA - Se recomienda usar pilas alcalinas - También se encuentra disponible una batería de Ion de Litio de 1400 mAH - Cargador opcional disponible para la batería anterior 2.6.2. Motores La gama de motores de que consta la línea LEGO Technic es bastante elevada, contando entre sus filas con aproximadamente 13 modelos diferentes. Estos motores van desde los pequeños micromotores hasta la joya de la corona de esta familia que no es otro que el motor incluido en el set del NXT. Este motor posee unas características muy buenas en cuanto a respuesta y rendimiento y cuenta asimismo con un juego de engranajes reductores y un encoder rotacional en su interior. Figura 48: Motor de LEGO incluido en el set NXT El juego de engranajes reductores garantiza un par de fuerza elevado para el motor, lo que se traduce en la capacidad de realizar un esfuerzo mayor sin la necesidad de elementos externos como era necesario en modelos anteriores, y más importante aún, impidiendo el sobreesfuerzo del motor y la consecuente reducción de su vida útil. 53 EL encoder o tacómetro, por su parte, permite conocer el número de vueltas que ha dado el eje del motor con una precisión de 1 grado. Es decir, si el motor realiza un giro completo el encoder verá incrementada su cuenta en 360 unidades. Esto es cierto sea cual sea el sentido de movimiento del motor, incrementándose en un sentido y decrementándose al girar en sentido contrario. 2.6.3. Sensores En este apartado se realiza un repaso por el conjunto de sensores disponibles para el LEGO Mindstorms NXT, tanto los de marca propia de LEGO como aquellos ensamblados y distribuidos por terceros pero que son plenamente compatibles con la plataforma NXT. 2.6.3.1. Fabricados por LEGO Son cuatro los sensores incluidos en el kit de LEGO Mindstorms NXT:  Bumper: detecta la presión realizada sobre la punta del sensor. Útil para detectar colisiones, presencia de objetos o como mecanismo final de carrera.  Sonido: consta de un pequeño micrófono capaz de captar sonidos.  Luz/Color: este sensor cumple una doble función, es capaz de detectar la presencia de luz en un entorno y a su vez es capaz de identificar un pequeño rango de colores de los objetos que ‘ve’.  Ultrasonidos: permite detectar la presencia de objetos a una cierta distancia. Útil en las mismas situaciones que el bumper pero sin llegar al contacto. Figura 4922: Ladrillo NXT con todos sus sensores y motores conectados 54 2.6.3.2. Fabricados por terceros Fabricantes como Hi-Technic comercializan sensores compatibles con el NXT, de entre los cuales destacamos los siguientes:  Brújula: permite conocer la orientación del robot respecto al norte magnético.  Acelerómetro: detecta aceleración en tres ejes y giro en uno.  Seguidor de infrarrojos: es capaz de detectar el haz de un emisor en un ángulo de 135º, indicando así mismo la dirección desde la que proviene el haz de luz. Figura 50: (De derecha a izquierda) Brújula, acelerómetro y seguidor de infrarrojos. 2.6.3.3. Personalizados Es posible crear sensores propios y personalizados compatibles con el bus I2C. 2.6.4. Comunicaciones El LEGO MINDSTORMS NXT ha supuesto una mejora muy importante respecto a su predecesor RCX en el apartado de comunicaciones. Este cambio se debe a que se ha desechado el rudimentario interfaz de comunicaciones infrarrojo y se ha adoptado el nuevo estándar Bluetooth que abre un nuevo mundo de posibilidades. Los aspectos más relevantes de sistema adoptado se tratan a continuación: CAPAS DEL SISTEMA DE COMUNICACIÓN: La siguiente figura muestra las principales capas de la pila de comunicación entre el dispositivo empotrado y el software que se encuentra en el PC. Como se puede comprobar, se puede establecer una comunicación full dúplex entre el PC y el NXT usando o no comunicaciones cableadas. Destaca la capacidad del NXT de usar el protocolo SPP que permite comunicarse vía Bluetooth como si de un puerto serie se tratase. 55 Figura 231: Diagrama de bloques de la comunicación PC-NXT El firmware que lleva el NXT permite acceder al protocolo de comunicación con el NXT escribiendo o leyendo información en “crudo” o utilizando el protocolo establecido que posteriormente se explicará. La desventaja que se tiene si no se utiliza el protocolo es que es imposible comprobar la información enviada o recibida en el buffer, por lo que se requiere un cierto control a bajo nivel de las tramas enviadas. Estudios realizados durante el desarrollo han demostrado que dicha comunicación tiene ciertas desventajas cuando se comienza a transmitir ráfagas de información, ya sea porque son demasiado largas y el tiempo entre la recepción de un paquete a otro es demasiado pequeño o por el retardo que se genera cuando se cambia de modo recepción de información a modo de transmisión de información. Para evitar en la medida de lo posible de la longitud de los paquetes a enviar una solución que se ha implementado es añadir al paquete que se envía el tamaño que ocupa el paquete a enviar al comienzo del paquete. Para mejorar el retardo que es causado por el cambio de modo de comunicación se ha añadido la posibilidad de enviar comandos directos sin necesitad de reconocimiento, es decir, no se asegura que lo que se envíe al NXT sea procesado correctamente a causa de cualquier tipo de error. Con eso se evita el cambio de modo de transmisión y los 30 ms que antes afectaban, ahora no se producen. El formato de los paquetes que se envían en ambas direcciones tiene la forma que muestra la figura. 56 Figura 242: Formato de trama en NXT Se pueden distinguir, como se observa en la figura, cuatro partes que proporcionan información cuando una trama llega a su destino:  Bytes 0 y 1: Indican el tamaño que tiene el paquete enviado, en dicho tamaño no se contemplan esos dos bytes de información.  Byte3: Tipo de comando. Existen dos tipos de comandos, los comandos directos y los comandos de sistema. Estos a su vez pueden ser con contestación de estado o sin contestación 0x00  Comando directo con respuesta. 0x80  Comando directo sin respuesta. 0x01  Comando de sistema con respuesta. 0x81  Comando de sistema sin respuesta. 0x02  Indica que el paquete recibido es la respuesta a otro paquete.  Byte 4: Comando específico. Dentro de los dos tipos posibles hay comandos que tienen un código específico para realizar diferentes funciones dentro del ladrillo NXT.  Bytes 5 a N: Se utiliza para información adicional del comando específico, cada comando tiene un formato que difiere del resto. En lo que concierne a los paquetes de respuesta el formato que siguen es el que se muestra a continuación:  Byte 2  Siempre vale lo mismo y es 0x02 para indicar respuesta.  Byte 3  Estado de la respuesta. Este valor puede variar según estos valores. 0x00  Éxito 0x81  Sin manejadores 0x82 Sin espacio 0x83 No hay más ficheros 0x84 Se esperaba final de fichero 0x85 Final de fichero 0x86 No es un fichero lineal 0x87 Fichero no encontrado 0x88 Todos los manejadores están cerrados 0x89 Sin espacio lineal 0x8A  Error desconocido 0x8B  El fichero está ocupado 0x8C  No hay buffers de escritura 57 0x8D  No se puede añadir 0x8E  El fichero está lleno 0x8F  El fichero existe 0x90  Módulo no encontrado 0x91  Fuera del límite 0x92  Nombre incorrecto de fichero 0x93  Manejador ilegal COMANDOS DENTRO DEL PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN En el siguiente apartado se describirá la arquitectura del protocolo de comunicación del NXT. Esta capa está situada debajo de los puertos de comunicación tanto del de USB como del de Bluetooth ya que será la que maneje la información que será intermediada dentro de las capas de comunicación USB y Bluetooth. En cada una de las capas que forman la pila del protocolo se comprueban los errores y la configuración de los paquetes a enviar tanto para USB como para Bluetooth. Dejando a un lado las características físicas del protocolo se va a abordar los posibles ficheros que la nueva comunicación del NXT es capaz de manejar. Se pueden agrupar los tipos de ficheros en:  Descargas o De firmware. o De programas definidos por el usuario. o De programas generados por una aplicación externa (pe. RobotC) o Programas de prueba (ficheros pre-programados). o Sonidos y gráficos.  Subidas o De programas. o De gráficos y sonidos. o De información de las salidas de los programas (logs).  Borrados de información en el brick o Sonidos, gráficos. o De programas definidos por el usuario. o Programas de prueba (ficheros pre-programados). o De programas generados por una aplicación externa (pe. RobotC). o Ficheros de salida de los programas (logs).  Comandos de comunicación con el NXT o Obtener la lista de ficheros dentro del NXT. o Comandos dirigidos a la máquina virtual (VM). 64 Lenguajes de programación utilizados en Eclipse 3.2.1 Lenguaje Líneas de código % Java 1,911,693 92.66% ANSI C 133,263 6.46% C++ 10,082 0.49% JSP 3,613 0.18% sh 2,066 0.10% perl 1,468 0.07% php 896 0.04% sed 2 0.00% Figura 58: Lenguajes utilizados con Eclipse. Actualmente Eclipse continúa en desarrollo y su última versión es Galileo, que corresponde a la versión 3.5 de Eclipse, salió el 24 de junio del 2009. 2.7.2. NetBeans Una buena alternativa a Eclipse es la plataforma NetBeans. Permite que las aplicaciones sean desarrolladas a partir de un conjunto de componentes de software llamados módulos. Un módulo es un archivo Java que contiene clases de java escritas para interactuar con las APIs de NetBeans y un archivo especial (manifest file) que lo identifica como módulo. Las aplicaciones construidas a partir de módulos pueden ser extendidas agregándole nuevos módulos. Debido a que los módulos pueden ser desarrollados independientemente, las aplicaciones basadas en la 65 plataforma NetBeans pueden ser extendidas fácilmente por otros desarrolladores de software. NetBeans también es un proyecto de código abierto de gran éxito con una gran base de usuarios, una comunidad en constante crecimiento, y con cerca de 100 socios en todo el mundo. Sun MicroSystems fundó el proyecto de código abierto NetBeans en junio de 2000 y continúa siendo el patrocinador principal de los proyectos. Según 'SLOCCount' de David A. Wheeler's, el estado actual de NetBeans es el siguiente: Estado actual de NetBeans IDE 6.1 Líneas De Código Fuente 1.990.915 Esfuerzo estimado de desarrollo (persona-año / persona-mes) 582,15 / 6.985,81 Estimación de tiempo (añosmeses) 6,02 / 72,23 Estimación del nº de desarrolladores en paralelo 96,71 Estimación de coste $ 78.640.629 (Salario promedio $56,286/año con unos costos extras de 2,40) Figura 59: Estado actual de NetBeans IDE 6.1 En lo referente a los lenguajes utilizados con NetBeans, Java obtiene un porcentaje de uso del 99,19% lo cual demuestra que es una de las opciones más demandadas por los programadores a la hora de elegir entornos de programación en Java. 66 3.- Desarrollo práctico Una vez expuestas las bases teóricas necesarias para el desarrollo de nuestros objetivos, se continúa con la descripción de la parte práctica del proyecto. 3.1. PRÉAMBULOS Y CONFIGURACIONES. 3.1.1. Montaje del robot NXT Siguiendo el guión de las finalidades de este proyecto, el montaje del robot NXT no puede ser de cualquier manera. Se necesita que cumpla unas necesidades de movilidad, de tracción y de dirección. De las opciones planteadas en la parte teórica, se opta por la forma de triciclo: dos ruedas motrices que controlan tracción y dirección al mismo tiempo con un mecanismo diferencial y una rueda trasera más pequeña y libre. 3.1.2. Java Developement Kit. Por supuesto si se va a trabajar con el lenguaje Java se necesita instalar la Máquina Virtual Java en el ordenador. Desde su página web http://www.java.com/en/download/manual.jsp se puede descargar la última versión e instalarla. Hay que asegurarse de que se instala al menos la versión 5 ya que es la mínima necesaria para que funcione el entorno de trabajo seleccionado. 3.1.3. Instalación del driver USB de Lego Para que el ordenador reconozca el robot, se debe descargar desde http://mindstorms.lego.com/en-us/support/files/default.aspx el driver de Lego Mindstorms NXT e instalarlo. Ahora cuando se conecte el robot al ordenador por USB y se encienda, aparecerá entre los dispositivos del sistema. 3.1.4. Instalación de LeJOS NXJ. Dado que LeJOS NXJ cuenta con su propio firmware, es necesario reemplazar el original que tienen los robots. Para ello se debe descargar el software desde: http://LeJOS.sourceforge.net/nxj-downloads.php e instalarlo en el ordenador. El software incluye una biblioteca de clases de Java (Classes.jar) que implementan la LEJOS NXJ Application Programming Interface (API), herramientas de PC para actualizar el firmware del robot, cargar los programas, depurarlos, un API de PC para escribir programas de PC que se comunican con los programas de LEJOS NXJ a través de Bluetooth o USB y otras muchas funciones y programas de ejemplo. Se conecta el robot al ordenador por USB y se utiliza la aplicación nxjflash para actualizar el firmware a la versión de LeJOS NXJ, y con esto los robots quedan preparados. 67 Para realizar las aplicaciones, pruebas y rutinas, se ha utilizado el entorno de trabajo de ECLIPSE, por su popularidad entre programadores en Java y por la familiaridad personal con la que se contaba anteriormente. 3.1.5. Configuración del entorno de desarrollo (ECLIPSE) Desde http://www.eclipse.org/downloads/ se descarga la última versión de ECLIPSE IDE para desarrolladores Java y hay que descomprimirla en el disco duro. Aunque LeJOS NXJ proporciona una aplicación para descargar los programas en el NXT, el hecho de compilar con ECLIPSE y luego usar otra aplicación para descargar los datos al NXT resulta algo engorroso. Por tanto, ya que se va a trabajar en ECLIPSE, se configurará para tener la opción de descargar los programas directamente en el ladrillo, sin necesidad de la aplicación de LeJOS. Para esto hay que configurarlo de la siguiente manera: Con un proyecto abierto, se hace clic en “Run” -> “External Tools” -> “External Tools Configurations…” Figura 60: Configuración Eclipse 68 Se lanza una nueva ventana donde hay que seleccionar “Program” en la parte de la izquierda y el icono de “New launch configuration”. Como nombre se le puede dar “LeJOS Download” por ejemplo y en la pestaña “Main” hay que rellenar el campo “Location” con la ruta donde se encuentra el ejecutable “LeJOSdl.bat” proporcionado por LeJOS. (Deberá estar en %ruta_de_LeJOS_NXT% /bin). Este ejecutable es el que permite descargar directamente al NXT, lo que se está haciendo es vincular el ECLIPSE a esa aplicación para poder hacerlo directamente sin salir del entorno. Siguiendo con la configuración en el campo “Working Directory” hay que introducir “${project_loc}\bin” (sin comillas) y en el campo “Arguments” introducir “${java_type_name}” (sin comillas también). Y aplicar. Figura 61: Configuración Eclipse 2. 69 Cuando ya se ha creado la configuración, se puede poner un acceso directo haciendo clic en el icono de “Run”->”Organize Favorites…” Figura 62: Configuración Eclipse 3. Dar clic en “Add…” en la ventana nueva que aparece y luego seleccionar la opción de “LeJOS Download” (o el nombre que se le haya querido dar a la configuración definida anteriormente). Presionar “Ok” y luego “Ok” de nuevo. Figura 63: Configuración Eclipse 4. 70 De este modo con tan sólo hacer clic en el botón “Run” que se ha configurado, Eclipse compilará y en caso de que no dé errores descargará el programa en el NXT mediante USB. 3.2. Estudio de comunicaciones mediante Bluetooth Se propone descubrir y analizar la comunicación vía Bluetooth de los robots NXT mediante LeJOS NXJ. El buen funcionamiento de las aplicaciones desarrolladas depende directamente de una buena comunicación entre dispositivos, por lo tanto es necesario conocer la eficiencia, la relación del rendimiento de la comunicación en función de los dispositivos conectados, sus limitaciones y la estabilidad de la conexión ante excepciones. 3.2.1. Instalación y configuración del dispositivo Bluetooth Para poder comunicarse por Bluetooth con el NXT, habrá que instalar un dispositivo que cumpla dicha función. Algunos ordenadores de hoy en día ya incorporan un dispositivo Bluetooth integrado pero no todos son compatibles con los NXT, es recomendable instalar el original de Lego para evitar estos problemas. Figura 64: Bluetooth Lego Sin necesidad de drivers, este Bluetooth se instala automáticamente al conectarlo a un puerto USB y trae su propia GUI para explorar dispositivos y conectarse a ellos. Se controlará mediante la librería “bluecove” proporcionada por LeJOS NXJ pero antes es imprescindible que se realice el “enlace” entre los dispositivos que vayamos a utilizar. Mediante el software del dispositivo Bluetooth se debe incluir entre los dispositivos conocidos todos aquellos que se vayan a utilizar. De lo contrario cuando se utilice la librería para acceder a los dispositivos encontrados, no se mostrarán los que no hayan sido enlazados previamente. 71 3.2.2. Configuración de librerías Para un correcto funcionamiento y un total acceso a todas las funciones que ofrece LeJOS NXJ, en el Java Build Path del proyecto destinado a ejecutarse en el NXT, habrá que incluir las librerias: classes.jar, jtools.jar, pccomm.jar y pctools.jar proporcionadas por LeJOS. Para el proyecto a ejecutar en el ordenador, bastará con incluir la “bluecove.jar” para controlar el Bluetooth y la “pccomm.jar” que gestiona las comunicaciones. 3.2.3. Tiempos de conexión entre dispositivos. Se ha comprobado que es mucho más rápido conectarse a un dispositivo conociendo su Nombre y su dirección MAC, que realizando una búsqueda de los dispositivos que se encuentran al alcance. Para el caso que nos ocupa, dado que el dispositivo Bluetooth debe estar enlazado con los robots previamente, siempre se realiza la conexión mediante su Nombre y su MAC. Aunque no es posible conectar por Bluetooth más de 7 dispositivos a un mismo dispositivo maestro, las posibilidades de configuración de una Scatternet o red dispersa son infinitas. Figura 65: Scatternet. 72 Según varios programas de prueba que se han realizado, la comunicación responde satisfactoriamente con distintas configuraciones y el tiempo de transferencia de datos entre dispositivos no supera el medio segundo en el peor de los casos. 3.2.4. Estudio de los posibles tipos de datos a transmitir. Cuando se establece una conexión entre dispositivos mediante Bluetooth, por cada dispositivo es necesario crear dos canales, uno de entrada de datos y otro de salida de datos. Pero estos canales no permiten transmitir cualquier tipo de datos. No es posible enviar archivos completos o variables como matrices o vectores de enteros, por eso para el envío simultáneo de variables más complejas que simples enteros, caracteres o doubles, se ha utilizado el envío de Strings (writeBytes(String string)). Se ha estudiado cómo influye la dimensión del String en el tiempo de transferencia, la tabla se adjunta a continuación: Dimensión (caracteres) Tiempo de respuesta 100 359 200 438 400 453 500 453 550 531 600 516 1000 625 Figura 66. Tabla de envíos dimensión-respuesta. Como se puede observar, es más rápido enviar un String con una dimensión de 1000 caracteres, que hacer dos envíos de 500. Por lo que la opción más rápida parece ser limitar el número envíos al mínimo y compactarlos en envíos de String de mayor dimensión siempre y cuando sea posible. 3.3. Logger Antes de comenzar con la gestión de trayectorias, es interesante investigar la manera de crear un pequeño logger, que ofrezca datos precisos de las posiciones del NXT y así no guiarse tan sólo de un análisis visual de los resultados de las trayectorias. 73 La primera idea desarrollada consiste en incluir un hilo “Rastreador” en cada robot que cada cierto período de tiempo captura las coordenadas del robot y las envía al PC. En el PC será necesario que exista un hilo que escuche y gestione los datos, bien ilustrándolos en tiempo real por consola o interfaz, o bien almacenándolos en un archivo en el disco duro para ser estudiado al finalizar la aplicación. Esta primera idea supone una carga adicional a los recursos del NXT al añadir un hilo que se encarga específicamente de esta tarea y puede intervenir directamente en el aumento de los retardos de las comunicaciones o del propio rendimiento del robot. Es por esto que se decide analizar las dos alternativas que propone y proporciona las librerías de LeJOS. - DataLogger: DataLogger es una clase implementada con la finalidad de almacenar valores de tipo float en un vector y transmitirlos a la aplicación DataViewer ofrecida por LeJOS en el software para PC. Figura 67. Dataviewer. De esta manera no se consumen tantos recursos en la ejecución como con la creación de un hilo específico. Pero la primera objeción del uso de DataLogger es la limitación del tipo de datos que se pueden almacenar (tan sólo tipo float) y también del tamaño del propio vector que aunque se puede configurar mediante el constructor, está limitado por la memoria disponible en el NXT. El medio de transmisión de los datos lo elije el usuario (Bluetooth o USB) al iniciar la aplicación desde el PC. - La otra opción y según el estudio la más factible, es crear un archivo sencillo de texto en el NXT y escribir en él los datos. De esta manera no se está limitando el log a 80 Para el desarrollo del control cinemático de los NXT se ha utilizado la siguiente ecuación: Entre las ventajas de la estrategia del punto descentralizado cabe destacar que no es necesario conocer la trayectoria completa para aplicarla sino que al mismo tiempo que se calcula la velocidad necesaria para que el robot alcance la siguiente posición, se calcula el siguiente punto en función de la posición actual donde se encuentra el robot en ese momento. Lo cual ofrece precisión y una continuidad uniforme en el movimiento. 3.7.2. Persecución Pura. A diferencia de la estrategia del punto descentralizado, para aplicar el algoritmo de persecución pura es necesario conocer la trayectoria previamente. Dada una posición (XR,YR) y un punto objetivo (Xob,Yob) se puede analizar el recorrido como sigue: Figura 71. Persecución pura. 81 Para una velocidad V constante, en cada período de control se calcula el punto (Xobm,Yobm) del camino que esté más próximo al robot (XR,YR) y se elige el punto objetivo (Xob,Yob) situado a una distancia fija S. Partiendo de la ley de los catetos donde: Del esquema se puede deducir: Y sustituyendo y desarrollando se puede calcular la curvatura (γ) como: La distancia LA estará definida en función de las coordenadas actuales y del punto objetivo: Y, por último, se calculan las velocidades de cada rueda como sigue: 82 De esta manera se aplican las respectivas velocidades a los motores para que el robot siga la trayectoria que se propone. El hecho de deber conocer y si no, en peor caso, tener que calcular los puntos del camino que debe recorrer previamente el robot a la ejecución de las acciones de control cinemático, aumenta el coste y con ello el tiempo de la ejecución. Sin embargo ofrece la ventaja de poder asegurar que el robot pase por puntos clave y que siga el camino de una forma más estricta. 3.8. The ring: tratamiento de una trayectoria circular, constante, variable en tiempo real y compartida por múltiples robots en un mismo escenario. Figura 72. Presentación The ring 83 3.8.1. Descripción de la aplicación y características La aplicación The ring consiste en la gestión del movimiento y de la trayectoria circular que comparten tres robots NXT. Los tres robots siguen una misma trayectoria circular, separados por una distancia uniforme de seguridad. Figura 73. The ring Existe una comunicación vía Bluetooth entre los NXT y el PC en todo momento. Desde el PC se monitorizan los movimientos y en tiempo real es posible cambiar el radio de la trayectoria circular que siguen los robots y también el centro de la misma. Esto provoca un desplazamiento repentino de los robos hacia su nueva posición y un gran riesgo de colisión entre ellos que se gestiona gracias al sensor de sónar y a una estrategia de evitación de obstáculos. 3.8.2. Metodología y desarrollo de la aplicación La aplicación requiere al menos tres hilos de ejecución en cada robot. Uno para la conexión, otro que esté atento a las órdenes que puede recibir del PC y otro que lleva a cabo el movimiento circular. - El hilo de conexión inicia la comunicación vía Bluetooth con el PC y la mantiene hasta el final de la aplicación. - El hilo de movimiento contiene la estrategia de gestión de trayectorias y es el encargado del movimiento circular del NXT. 84 - El hilo lector del PC escucha cada cierto período de tiempo si el PC ha enviado algún dato al robot. Un cambio de radio o de centro de trayectoria. Y en ese caso actúa sobre el hilo de movimiento para que corrija su trayectoria. La relación entre los threads en ejecución es la que sigue: Figura 74. Relación entre los threads. Por otro lado, en el PC también se ejecutan tres hilos pero con distintas funciones. - El hilo de conexión tiene la función de sincronizar y conectar con los tres NXT. - El hilo de cambios espera a que se produzca el cambio de radio o centro de la trayectoria circular a través del usuario mediante la interfaz de la aplicación. Y en ese caso envía la información a los NXT. - El hilo monitor recibe las coordenadas exactas de los NXT y si se selecciona la opción de abrir simulador, muestra en una imagen los movimientos en tiempo real que van siguiendo los robots. De ese modo se gestionan los eventos que pueden ocurrir en la aplicación. 85 Para la gestión de trayectoria se ha probado con las estrategias del punto descentralizado y de persecución pura, y para la aplicación definitiva se ha optado por utilizar únicamente la del punto descentralizado ya que en las pruebas ofrecía mayor corrección frente a posibles errores. En relación con la detección y evitación de obstáculos, el sensor de sónar instalado en los tres NXT, rastrea en todo momento si existe algún obstáculo en frente y en caso de que esté lo suficientemente cerca como para que haya un riesgo de colisión, a la gestión de la trayectoria se le añade un módulo de control cinemático que modifica en ese caso dicha trayectoria. Figura 75. Gestión del módulo de obstáculos Este módulo de control de obstáculos se acentúa en el resultado de la trayectoria cuanto más cerca se detecta el objeto, hasta el punto de que si casi va a colisionar, hace que el robot se detenga. Cuando no se detecta ningún obstáculo, el módulo de obstáculos es nulo y la gestión de la trayectoria del punto descentralizado pasa directamente a la gestión final. Lo que ocurre con este esquema es que la gestión individual del seguimiento de trayectoria por punto descentralizado y del módulo de evitación de obstáculos, hace que, durante el tiempo en el que un robot se encuentra evitando un obstáculo, el control de trayectoria continúa por su parte generando la trayectoria y cuando la evitación de obstáculos desaparece y vuelve a tener el control total sobre la gestión final, el punto donde se debería encontrar el robot puede estar lejos de su posición actual. Lo cual hace que el robot tome el camino más corto hasta volver a reengancharse a la trayectoria. 86 3.8.3. Sistema de archivos, interfaz y ejecución. El sistema de archivos de la aplicación consta de cuatro proyectos. Tres de ellos se cargan en los NXT y el cuarto se ejecuta en el ordenador. Figura 76. Proyectos y clases. Cada proyecto de los robots contiene seis clases .java que se comunican entre sí. Los nombres de los proyectos hacen referencia al nombre del robot al que se debe cargar ya que cada uno incluye el nombre en la clase Conexion.java que es necesario para realizar la conexión Bluetooth. Tanto para mandar los proyectos a los NXT como para ejecutar el del PC, hay que hacerlo sobre la clase Principal.java ya que es la que incluye la función main. Una vez cargados los programas en los robots, se ejecuta la aplicación del PC y aparece lo siguiente: 87 Figura 77. Bienvenida Figura 78. LCD NXT waiting Si está todo listo se pulsa Conectar, y la aplicación irá conectando vía Bluetooth con cada uno de los NXT. Cuando todos estén listos el siguiente paso será calibrarlos: Figura 79. Interfaz, paso 1. 88 Por defecto comienza el NXT hal9000 en la posición 335,0 (en x,y mm) de la trayectoria circular y con una orientación de 180°. Se pulsa calibrar y el robot comenzará a seguir la trayectoria hasta haber recorrido un ángulo de 240° y se parará. En el PC aparecerá la siguiente pantalla: Figura 80. Interfaz, paso 2. Se coloca al robot con el nombre IP4 en la misma posición y orientación inicial que hal9000 y se pulsa “Calibrar”, con lo que IP4 seguirá la misma trayectoria circular y se detendrá cuando haya recorrido 120° de la circunferencia, avisando al PC de que ya está calibrado. Figura 81. hal9000 e IP4 calibrados. Por supuesto hay que verificar visualmente que los dos robots circulan bajo la misma trayectoria y llegan a su posición en la orientación adecuada, en caso contrario no estarían bien calibrados y habría que comenzar de nuevo. 89 Figura 82. Interfaz Iniciar Se coloca al llamado NXT en la misma posición inicial que el resto y se pulsa “Iniciar”. Los tres robots comienzan a girar a la misma velocidad y siguiendo la trayectoria circular. En el PC aparece la siguiente interfaz: Figura 83. Interfaz Para cambiar de radio y/o de centro la trayectoria circular, hay que editar los campos correspondientes y al pulsar “Aplicar” se les envía la información a los NXT por Bluetooth. Si se pulsa en “Abrir simulador” aparece una ventana donde se van dibujando las posiciones de los robots junto a la trayectoria circular que deberían estar siguiendo en ese momento. Para un robot, un cambio en la dimensión del radio de la trayectoria quedaría registrado así: 96 Figura 91. Esquema de ejecución. Para el reconocimiento de formas mediante OpenCV, la imagen se discretiza aislando los señuelos del resto del escenario y diferenciándolos de si son obstáculos o son los señuelos de inicio o final de posición del robot. Para los señuelos de posición inicial y de posición final, se calculan los centroides y su orientación. Y para los obstáculos, se convierte la imagen a formato binario para enviarla al algoritmo de generación de trayectorias. Este algoritmo recibe la imagen binaria y la posición inicial y final del robot, y mediante el parámetro de raster, subdivide la imagen para conocer por qué coordenadas es posible pasar o no. Cada paso supone un coste que garantiza que la trayectoria que se calcula es la más eficiente. Cuando se obtiene la trayectoria, se envía al módulo de transformación a Spline para que los movimientos del robot no sean bruscos y tenga una circulación más suave. 97 Figura 92. Algoritmo de generación de trayectoria + Conversión a Spline Luego se transforman los píxels en mm mediante una matriz de transformación calculada específicamente para la cámara y el escenario que se ha estudiado, y se envía la trayectoria por Bluetooth al NXT. Para la gestión de la trayectoria se utiliza la estrategia a bajo nivel del punto descentralizado, pero cuando el robot se sitúa en su posición final, la aplicación hace uso de las funciones de alto nivel proporcionadas por LeJOS para conseguir que se oriente según la marca del señuelo. 3.10.3. Sistema de archivos, interfaz y ejecución. El sistema de archivos en este caso tan sólo consta de dos proyectos, uno para ejecutar en el PC y otro para el NXT que se vaya a utilizar: Figura 93. El laberinto: sistema de archivos 98 Hay que tener en cuenta que el nombre del robot es determinante para que la aplicación conecte con el PC y por eso es necesario comprobar que se corresponde con el que figura en las clases Conexion.java de Laberinto-NXT y en ConexionaNXT.java de Laberinto-PC. Las clases que contienen la función main en cada proyecto y que hay que ejecutar y cargar son Principal.java. Al iniciar la aplicación en el PC, se muestra un mensaje de bienvenida que recuerda que es necesario haber cargado el programa al NXT y que éste se encuentre en estado de espera. Figura 94.bienvenida Hay que pulsar en conectar y una vez se establece la conexión, iniciar la cámara. Figura 95. Conexión establecida Se abre una nueva ventana donde se muestra un frame que muestra en tiempo real el resultado de discretizar y reconocer el escenario que captura la cámara. El señuelo del robot debe ser triangular y de color negro y el centroide del triángulo debe coincidir con el eje central de las dos ruedas motoras. Los señuelos de los obstáculos deben ser de color azul o verde claro y el señuelo que indica la posición final debe ser con forma triángulo para poder calcular la orientación final y de color naranja o rojo. 99 Figura 96. Ejemplo de escenario Figura 97. Escenario discretizado A tiempo real se muestra por consola las coordenadas en mm. y la orientación de la posición inicial y final, por si en tiempo real se decide cambiar alguna de ellas. Figura 98. Consola Al pulsar en capturar, se muestra el escenario capturado discretizado y en la ventana principal aparecen las posiciones definitivas de las posiciones de inicio y fin. Mientras tanto en el mismo directorio donde se encuentra el proyecto de la aplicación que se ejecuta en el PC, se almacena la captura final en modo de imagen 100 con nombre original.jpg, la imagen discretizada como discretizada.jpg y la imagen binaria que contiene sólo los obstáculos en blanco como binaria.jpg. Figura 99. Original.jpg Figura 100. Discretizada.jpg Figura 101. Binaria.jpg 101 El paso siguiente es pulsar calcular para enviar la imagen binaria al algoritmo de generación de trayectorias. Este proceso más la subdivisión en coordenadas más consecutivas y la transformación a Spline puede tardar unos segundos. Al terminar se muestran las coordenadas por consola y se almacena una imagen con la simulación del recorrido para comprobar que es correcto antes de enviarlo al robot. Figura 102. Recorrido.jpg Si todo es correcto hay que pulsar enviar y las coordenadas se envían una a una al NXT por Bluetooth. Cuando las ha recibido todas realiza el recorrido y cuando llega a su posición final, se orienta según la orientación del señuelo final y termina la aplicación. Figura 103. Inicio recorrido 102 Figura 104. Recorrido Figura 105. Llegando al objetivo. Se adjunta un vídeo demostrativo con varios escenarios con las que se realizaron las pruebas. 3.10.4. Problemas encontrados y soluciones En un primer lugar hay que decir que la cámara cenital con la que se ha trabajado es una Webcam de gama media, por lo que los tiempos de refresco no son excesivamente altos y la calidad de la imagen es medianamente decente. Pero una cámara de alta gama ofrecería unas prestaciones que perfeccionarían el reconocimiento y la discretización que realiza la aplicación. Prácticamente en todas las sesiones se ha ido calibrando la cámara según la intensidad de luz que había en ese momento en el escenario. Lo ideal sería usar un escenario lejos de ventanas donde la luz diurna no influyese en la percepción de los colores. Para la generación de trayectorias hay que tener muy en cuenta el tamaño del raster que se debe adecuar a la mínima área que ocuparía el robot en píxeles, ya 103 que si no, el número de divisiones en las que se descompone la imagen será menor, de este modo el tamaño discretizado de los obstáculos será mayor y por consiguiente será más complicado que el algoritmo encuentre una solución. De manera parecida ocurre al situar los obstáculos, hay que tener en cuenta que si no se sitúan orientados al eje de coordenadas, ocuparán más coordenadas y será más difícil la generación de trayectorias. Figura 106. Obstáculo no orientado (22 ocupados) Figura 107. Obstáculo orientado (20 ocupados) Por otro lado conseguir la orientación final también resultó complicado. Al principio se intentó usando la misma estrategia del punto descentralizado pero añadiendo unos puntos finales a la trayectoria. Estos puntos se calculaban como coordenadas cercanas a la posición final indicada por el señuelo y cuyo ángulo se correspondía con el ángulo final. Es decir, si por ejemplo el robot llegaba al señuelo con una orientación de 45 grados y debía estar en 110, se calculaba un punto cercano al centroide del señuelo que formase un ángulo de 110 respecto a esa posición y se añadía al final de la trayectoria. 104 Figura 108. Punto de orientación con NXT bien colocado. Figura 109. NXT Orientado Se le otorgaba el suficiente tiempo de muestreo para poder alcanzar la orientación más alejada, y respondía medianamente bien. El problema era que si por cualquier motivo el robot no alcanzaba de manera precisa el centroide del señuelo la orientación en ocasiones no se correspondía con la que debía ser. 105 Figura 110. Punto de orientación con NXT de posición final imprecisa. Figura 111. Orientación final errónea. Se decidió abordar el problema partiendo desde la posición final real que alcanzaba el robot. De esta manera en lugar de operar de manera premeditada desde el PC, se añadió una función de orientación final en el programa del propio robot, la cual bajo la misma estrategia añadía unas coordenadas cercanas a la posición actual del robot, y con una orientación correspondiente a la final. De esta manera, en los casos donde la precisión no era la suficiente en la posición final, el robot se orientaba correctamente. 112 MiClasehilo HiloLector1 = new MiClasehilo(FdeH); Luego se crea un objeto de tipo hilo al cual se le asigna la interfaz que se ha implementado. Thread hilo1 = new Thread(HiloLector1) Y por último para crear el hilo se ejecuta: hilo1.start(); El método start, crea el hilo desde la clase principal e inmediatamente ejecuta el método run() asignado a ese hilo. En este caso, el hilo ejecutará las funciones de leer(), luego dibujar() y se dormirá durante un segundo. Y así continuará hasta que desde la clase Principal donde se ha creado, se llame al método muere(), que hará que la condición del bucle deje de ser cierta y el hilo terminará su ejecución. En ocasiones como en la aplicación del simulador del apartado 3.4, la vida de un hilo depende directamente de la destrucción de otro. En este caso en concreto sucede al terminar la aplicación mediante una orden de comandos por consola. Del análisis del teclado se encarga un hilo que constantemente escucha lo que se introduce por teclado. En caso de que se introduzca la palabra clave “fin”, el hilo muere y el programa debe terminar. Para ello, el hilo principal se encuentra pausado e intermitentemente va comprobando si el hilo que escucha el teclado sigue vivo: while(HiloEscuchaTeclado.isAlive()){ try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } findeprograma() Por otro lado, fue necesario también el uso de variables compartidas entre hilos, por ejemplo en la ejecución en los NXT de la aplicación The Ring. Un hilo se encarga de mantener la conexión y mientras tanto se ejecuta un hilo Motor que hace girar al robot y un hilo que escucha intermitentemente al PC por si es necesario cambiar el radio o el centro de la trayectoria que sigue el hilo Motor. En tal caso, el hilo que escucha debe modificar en tiempo real las variables de radio y centro que el hilo Motor está utilizando en ese mismo momento. Para ello se decidió que todos los métodos de los hilos formasen parte de una misma clase llamada FuncionesdeHilos(). De esta clase se crea una instancia en el hilo principal, antes de crear los hilos secundarios a los cuales se les envía la misma instancia de la clase de funciones como parámetro. 113 FuncionesdeHilos FdeH; FdeH=new FuncionesdeHilos(dis1,dos1,dis2,dos2,dis3,dos3); MiClasehilo1 HiloLector = new MiClasehilo1(FdeH); MiClasehilo2 HiloMotor = new MiClasehilo2(FdeH); De este modo, todos los hilos comparten la misma instancia de la clase de métodos que ejecutan y cualquiera puede modificar los valores de variables globales de la clase, que se verán afectadas en la ejecución de todos los métodos que la comparten. 114 Anexo2: Establecer una comunicación Bluetooth entre el PC y los robots NXT Para establecer la comunicación Bluetooth entre el PC y los robots NXT se ha creado una clase con el nombre ConexionaNXT() que implementa los métodos conectar() y desconectar(). El método conectar() comienza definiendo el tipo de conexión que se va a iniciar: NXTComm nxtComm = NXTCommFactory.createNXTComm(NXTCommFactory.BLUETOOTH); Y describiendo también cada uno de los robots a los que se pretende conectar: NXTInfo nxtInfo1 = new NXTInfo(NXTCommFactory.BLUETOOTH,"IP4", "00:16:53:08:9d:a5"); NXTInfo nxtInfo2 = new NXTInfo(NXTCommFactory.BLUETOOTH,"NXT", "00:16:53:07:73:fe"); NXTInfo nxtInfo3 = new NXTInfo(NXTCommFactory.BLUETOOTH,"hal9000", "00:16:53:03:f4:74"); También es posible realizar una búsqueda de dispositivos mediante: NXTInfo[] nxtInfo = nxtComm.search(null, NXTCommFactory.BLUETOOTH); Pero los tiempos de espera son superiores, evidentemente, por lo que en todos los casos se ha optado por la opción de describir los dispositivos como en el primer caso. Ya es posible entonces abrir la comunicación: boolean opened = nxtComm1.open(nxtInfo1); if (!opened) { System.out.println("Failed to open " + nxtInfo1.name); System.exit(1); } boolean opened2 = nxtComm2.open(nxtInfo2); if (!opened2) { System.out.println("Failed to open " + nxtInfo2.name); System.exit(1); } 115 boolean opened3 = nxtComm3.open(nxtInfo3); if (!opened3) { System.out.println("Failed to open " + nxtInfo3.name); System.exit(1); } System.out.println("Connected to all"); Y si todo funciona correctamente hay que crear un buffer de escritura y uno de lectura por cada conexión que se realice. InputStream is1 = nxtComm1.getInputStream(); OutputStream os1 = nxtComm1.getOutputStream(); DataOutputStream dos1 = new DataOutputStream(os1); DataInputStream dis1 = new DataInputStream(is1); InputStream is2 = nxtComm2.getInputStream(); OutputStream os2 = nxtComm2.getOutputStream(); DataOutputStream dos2 = new DataOutputStream(os2); DataInputStream dis2 = new DataInputStream(is2); InputStream is3 = nxtComm3.getInputStream(); OutputStream os3 = nxtComm3.getOutputStream(); DataOutputStream dos3 = new DataOutputStream(os3); DataInputStream dis3 = new DataInputStream(is3); Y ya estarán los tres NXT conectados al PC. Para enviar un booleano a hall9000 (que es el tercero), por ejemplo, hay tan sólo que acceder al buffer de escritura dos3 con el método correspondiente: dos3.writeBoolean(true); Es importante limpiar también el buffer de escritura para que el receptor sepa cuándo acaba el envío que está recibiendo y para ello se usa el método flush(). 116 En cuando al método implementado desconectar(), hace uso de los métodos close() proporcionados por LeJOS para cerrar la comunicación con los robots conectados. La implementación es como sigue: public void desconecta() throws NXTCommException{ try { dis1.close(); nxtComm1.close(); dis2.close(); nxtComm2.close(); dis3.close(); nxtComm3.close(); } catch (IOException ioe) { System.out.println("IOException closing connection"); } } 117 Anexo3: Tratamiento de imágenes con OpenCV para Java Para hacer uso de esta librería tan sólo es necesario descargarla desde http://ubaa.net/shared/processing/opencv/ e incluir la librería OpenCV.jar en el Java Build Path del proyecto. Se deberá importar hipermedia.video.* para el uso de los métodos de la librería y declarar un objeto de tipo OpenCV() para el acceso a sus métodos. Import hypermedia.video.*; Constructor(){ OpenCV cv = new OpenCV(); cv.capture( 320, 240 ); // el ancho,alto de la ventana } La función encargada de capturar debe ser un bucle de lectura constante de imágenes capturadas, para lo que se hace uso del método read() y para el tratamiento de la imagen se ha utilizado el método invert(), el cual invierte la imagen, y el método threshold(valor), el cual actúa como un filtro de píxels según el valor del parámetro de entrada. Si el valor es 80 por ejemplo, una llamada a threshold(80), filtrará la salida de los píxeles con valor mayor que 80 hasta 255. while(cv!=null && !parar){ // grab image from video stream cv.read(); cv.invert(); cv.threshold( 185 ); OpenCV ofrece también un método de reconocimiento de burbujas u objetos que se ha utilizado en el desarrollo de este proyecto. El método recibe un primer parámetro donde se debe indicar el área mínima que debe tener el objeto para ser reconocido como tal, otro parámetro con el área máxima, el máximo de objetos, si se desea el reconocimiento de agujeros y el número máximo de vértices por objeto. Blob[] blobs = cv.blobs( 100, cv.width*cv.height/2, 100, true, OpenCV.MAX_VERTICES*4 ); 118 La lista devuelta contiene todos los objetos y de cada objeto, todos sus puntos y píxeles. for( int i=0; i<blobs.length; i++) { if(blobs[i].isHole==false){ //si no es agujero //Recorrer cada objeto Para pintar los objetos se utiliza la clase Polygon la cual recibe uno a uno los puntos y luego se añaden al gráfico. Polygon shape = new Polygon(); for( int j=0; j<blobs[i].points.length; j++ ) { shape.addPoint( blobs[i].points[j].x, blobs[i].points[j].y ); } g.fillPolygon(shape). El análisis de los colores de los píxeles, se lleva a cabo a partir del color del píxel que forma parte del centroide del objeto en cuestión. Según el color se clasifican los objetos distinguiéndolos entre obstáculo, robot y destino. //Análisis del color Int tempverde = (ImagenEnbuffer.getRGB(blobs[i].centroid.x,blobs[i].centroid.y)& 0x0000ff00) >>8; Int temprojo = (ImagenEnbuffer.getRGB(blobs[i].centroid.x,blobs[i].centroid.y)& 0x00ff0000) >>16; Int tempazul = (ImagenEnbuffer.getRGB(blobs[i].centroid.x,blobs[i].centroid.y)& 0x000000ff); Cuando ya se detectan todos los objetos se calcula la orientación inicial del robot y del señuelo destino. Para ello se analiza cada punto que forma el área y se calcula el punto más alejado al centroide y se dibuja la recta que los une para facilitar el reconocimiento visual del ángulo. double distancia=0; int masalejadoR=0; //índice del punto más alejado al centroide del robot //Cálculo de la orientación del robot for(int j=0;j<blobs[indiceRobot].points.length;j++) //para cada punto que forma el área if(blobs[indiceRobot].points[j].distance(centroide[indiceRobot].x, centroide[indiceRobot].y)>distancia){ 119 distancia=blobs[indiceRobot].points[j].distance(centroide[indiceRobot].x, centroide[indiceRobot].y); masalejadoR=j; } //se pinta la recta g.drawLine(centroide[indiceRobot].x, centroide[indiceRobot].y, blobs[indiceRobot].points[masalejadoR].x, blobs[indiceRobot].points[masalejadoR].y); PosInicialX=centroide[indiceRobot].x; PosInicialY=centroide[indiceRobot].y; Para calcular el ángulo tan sólo habrá que calcular el arco coseno de la distancia del centroide a la coordenada x del punto más alejado dividido entre la distancia directa del centroide al punto más alejado. Es decir, el arco coseno del cateto adyacente al ángulo entre la hipotenusa. AnguloInicial=Math.acos((centroide[indiceRobot].distance(blobs[indiceRobot].points[masalej adoR].x,centroide[indiceRobot].y))/(centroide[indiceRobot].distance(blobs[indiceRobot].points[masal ejadoR])));