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Diseño y desarrollo de un prototipo
robótico con orange PI
Design and development of a robotic
prototype with orange PI
John Jairo Leiva Mármol
Universidad Nacional Abierta y A
Distancia – UNAD
Correo electronico: john.leiva@unad.
edu.co
Información del artículo: recibido: 25 de Abril de 2017, aceptado: 22 de Agosto de 2017
https://10.17081/invinno.5.2.2760
John Alejandro Valero Henao
Autor de correspondencia
. Universidad Nacional Abierta y
A Distancia – UNAD
Correo electronico: javh55@gmail.
com
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Vol 5 No2 / Julio a Diciembre 2017
Diseño y desarrollo de un prototipo robótico con orange PI
En este artículo se presenta el desarrollo de un robot móvil controlado
vía web, diseñado para ejecutar tareas de monitoreo. El sistema es
controlado mediante la tarjeta Orange Pi+ 2E y una tarjeta Arduino. El
Robot está construido en acrílico, posee Una pantalla LCD touch para
la comunicación con el usuario, 4 motores (para mover el vehículo), un
controlador de carga, Sensores ultrasónicos para medir la distancia entre
otros dispositivos de control. Se programó el sistema para que efectuará
las tareas de manera óptima transmitiendo las imágenes de la cámara, la
respuesta de los sensores y las órdenes de control del usuario cada 100
ms, la herramienta empleada es el framework ROS (Robot Operating
System). En este caso se empleó el sistema operativo Linux server en
la Orange Pi; que permite usar múltiples lenguajes de programación
como lo son Java, PHP, Xajax y SH, en conjunto se ejecutan en un solo
programa o interfaz de usuario que, a través de HTML5 y un navegador
WEB permiten: captar video de la cámara, leer los comandos del usuario
y hacer la petición a la Arduino para que dé la orden a los motores de
efectuar el movimiento, leer el sensor y publicar en la pantalla LCD.
Resumen
Palabras
Claves:
Orange pi,
Arduino mega,
Sensores,
Actuadores,
robot, Seguridad,
OpenCV, Open
Sourse, Open
Hardware.
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In this abstract is presented the development of a mobile robot controlled on line,
designed to perform monitor tasks. The system is controlled through the Orange
Pi+ 2E card and an Arduino card. The Robot is built in acrylic; it has an LCD
touch screen for the communication with the user, 4 motors (in order to move the
vehicle), a loading control, and ultrasonic sensors to measure the distance between
other control devises.
The system was programmed to carry out the tasks optimally, transmitting the
images to the camera, a response to sensors and user control orders given every 100
meters, the tool used is the framework ROS (Robot Operating System). In this case
the operative system Linux server in the Orange Pi was used; that permits to use
multiple program languages such as Java, PHP, Xajax y SH, as a whole they are
executed in one inter phased user program that, through the HTML5 and a WEB
navigator let: capture a video from the camera, read the user commands and make
an application to Arduino so that it can give the order to start the motion, read the
sensor and show the video on the LCD.
to login in with the Google account and database. The application is addressed to
the users of Yopal City, Casanare department, who take the urban transportation
service, to facilitate the information corresponding to the routes the minibus rides.
Abstract
Keywords:
Index Terms
- Orange
pi, Arduino
mega, Sensors,
Performers,
robot, Security,
Open CV, Open
Source, Open
Hardware.
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Diseño y desarrollo de un prototipo robótico con orange PI
La robótica es un área multidisciplinar, pues combina mecánica, informática,
ingeniería electrónica e inteligencia articial. Los sistemas usados en
la robótica han pasado de ser una “caja negra” llena de compuertas y
transistores desde la cual se controlaba todo, a lo que conocemos hoy:
sistemas embebidos que usan pequeños mini computadores con capacidad
suciente para procesar y controlar todos los requerimientos de un robot.
Los sistemas embebidos han ganado espacios en diversas tecnologías, desde
dispositivos móviles, televisores y automotores hasta robótica; la tendencia
es incluirlos de forma masiva en dispositivos y sistemas de uso general y
particular, aumentando de forma continua su potencia, mientras que el
precio disminuye. Estos sistemas cumplen unas restricciones muy estrictas:
De tiempo: a menudo deben reaccionar en un periodo de
tiempo muy corto.
Cada vez deben ser más ligeros, portables y baratos.
El consumo de energía debe ser muy reducido.
En los últimos años su evolución ha sido todavía mayor, gracias a la creciente
demanda de dispositivos móviles.
Las características más importantes de los sistemas embebidos son las siguientes:
Tamaño reducido: 10 cm x 5 cm x 1 cm.
Peso reducido: menos de 50 gramos.
Requerimientos de energía reducidos: alimentación 5V, Consumo
inferior a los 1 A (menos de 5W).
Alta conectividad: conectividad por USB, Ethernet, Wi, CAN, I2C,
GPIO, etc.
Por todo ello, ofrecen una clara ventaja en el desarrollo de la robótica móvil,
incluyendo robots terrestres, aéreos o acuáticos, donde los requisitos de tamaño y
peso se ajustan a las necesidades y requerimientos del diseño.
Introducción
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En esta sección se describen los principales componentesutilizados para
armar la estructura del robot:
Arduino Mega: la tarjeta de desarrollo Arduino Mega es una
solución de control genérico, de bajo costo y de fácil implementación
para manejar motores, sensores, pantallas, etc; gracias a la amplia
gama de librerías desarrolladas [1].
Orange Pi: la Orange Pi+ 2E es una mini computadora de
tamaño reducido, posee conectividad HDMI, Ethernet, Wi, 4
puertos USB, procesador Quad core de 1.5 Gigas. y es compatible
con sistema operativo Linux [2].
Componentes del sistema
Figura 1.
Parte frontal del
robot
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Para la construcción del robot se utilizó el kit 4WD Smart Robot Car Chasis
fabricado por Shenzhen CAIZHIXING Electronic Co; compuesto por una
estructura acrílica y 4 motores con ruedas. En la Figura 2 se observa la estructura.
El control de giro de cada motor se realiza mediante el Driver L293D, uno por cada
dos motores. Para la comunicación con el usuario, se usa una pantalla LCD TFT
Touch de 3.2 Pulgadas, un módulo cargador de baterías y sensores ultrasónicos para
la detección de objetos. Todo conectado a la tarjeta Arduino Mega que nalmente se
comunica vía GPIO al mini computador Orange Pi (ver Figura 3).
Estructura del sistema
Figura 2.
Estructura o chasis
del Robot
Figura 3.
Parte posterior del
robot
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Para que el robot cumpla sus objetivos de movilidad, debe ser capaz de realizar las
siguientes acciones: a) Desplazarse adelante y atrás; b) girar a la izquierda y a la
derecha; c) no chocar con objetos. Estos movimientos se realizan a través del control
de las 4 ruedas que posee el robot (Figura 4); en la cual se aprecian las conexiones
lógicas entre la tarjeta Arduino y los motores. De esta forma, mediante comandos y
posiciones lógicas, se logra el movimiento o desplazamiento deseado para el robot.
Para evitar los choques, se implementaron dos sensores ultrasónicos HC-SR04,
ubicados en la parte delantera y trasera. Estos siempre censan la distancia de los
objetos y cuando esta es inferior a 10 cm, el carro frena automáticamente, evitando
así que choque; si el usuario insiste en ir al frente sin tener espacio suciente,
simplemente el carro no avanza, de igual forma sucede con la reversa.
Por último, para trasmitir video en tiempo real, se emplea una cámara
USB convencional compatible con Linux; usando la aplicación MOTION,
las imágenes captadas por este dispositivo se convierten y se transmiten
mediante el puerto 8888. Esta App está congurada de tal manera que
permite ver el video en tiempo real, facilitando al usuario el control del
robot sin problemas o latencias a la hora de observar el entorno donde está
ubicado (ver Figura 5).
Figura 4.
Lógica de control de
motores
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La Orange Pi procesa la información de la cámara y el Arduino Mega
controla los actuadores. El usuario realiza el manejo del robot mediante el
panel de control (ver en Figura 5 los botones en azul).
En el fondo de la aplicación se despliega en pantalla completa la imagen
transmitida por la cámara, la actualización de la pantalla se realiza cada
100 msg. Este tiempo se denió con base en ensayos que no afectaron las
órdenes enviadas por el usuario ni la visualización de la cámara.
En el diagrama de ujo de la Figura 6, aparecen la Orange y el Arduino Mega
trabajando al mismo tiempo. Aquí se aprecia el diagrama de ujo básico de
cada placa. Básicamente, la Orange procesa video y ejecuta la aplicación de
usuario en HTML5, y dependiendo del estado de cada botón, envía la orden
al Arduino para que este se mueva según las disposiciones del usuario.
El Arduino se encuentra en modo esclavo y está siempre a la espera de
ejecutar el comando enviado desde el mini ordenador. Este proceso es
bidireccional y síncrono; y para la implementación de la comunicación, se
Integración de los componentes
Figura 5.
Interfaz de usuario y
control
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usó ROS (Robot Operating System) con la utilización de los servicios, que es
un método de comunicación basado en el paradigma de request/reply con
el concepto de maestro esclavo.
Figura 6.
Diagrama de flujo
del robot
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Los experimentos consistieron en la realización de pruebas de desempeño, en
las que se observó el comportamiento global del robot con sus componentes
integrados. La primera prueba consistió en la conducción del vehículo,
para lo cual se intentó chocarlo contra objetos en el camino y se analizó
su respuesta. La segunda prueba consistió en alejar el robot del Router
inalámbrico y en analizar cómo afecta ello al control del mismo.
En la primera parte, el robot responde óptimamente, y luego de 10 intentos
de choque se concluyó que la rutina de retroceso de 1 g es suciente para
frenarlo. En la segunda, la transmisión de imágenes se afectó seriamente
cuando la distancia en línea de vista al Router supera los 50 metros. Para el
caso, se usó un Router bac wi 3G HUAWEI E5330 [6,7].
Experimentación
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Es preciso ser cuidadosos en el uso de los motores, dado que el exceso de
esfuerzo puede quemarlos con facilidad y afectar el sistema de baterías. La
solución aplicada consistió en limitar el peso máximo que puede cargar la
estructura a 300g. Por otro lado, se recomienda tener un canal con un ancho
de banda de 5Mbps simétrico, y operar el robot en un radio de 35 m con
línea de vista al Router. Esto con el n de garantizar la trasmisión de video
y la operación.
Consideraciones especiales
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Gracias a la unión de estas dos tarjetas para desarrollo (Orange Pi+ 2E y
Arduino Mega), se obtiene exibilidad y adaptabilidad del sistema para
adicionar sensores, actuadores y comunicaciones, sin perder la potencia de
procesamiento de la Orange Pi. La Orange Pi de la visualización y control
en tiempo real se realiza mediante interfaz WEB, apoyada con video en
streaming de la cámara frontal. También se le otorga al Arduino la parte
de control o carga como motores y sensores, facilitando la programación y
escalabilidad de proyectos futuros.
El control del robot se realiza por interfaz WEB sin importar el sistema
operativo del cliente. De este modo, puede controlarse desde IOS, Android,
Windows o Linux y solo debe soportar HTML5; la pantalla o interfaz de
usuario se adapta automáticamente a cada dispositivo. En la siguiente fase
del proyecto se establecerá la seguridad de acceso a las páginas principales,
creando una red con multitud de sensores NodeMCU o EPS, y se efectuará
el censado de variables, condición del ambiente y demás factores físicos
susceptibles a estudiar. La Figura 7 ilustra a grandes rasgos los dispositivos
que conforman la siguiente fase [3-5].
Para nalizar, cabe mencionar que sus componentes son Open Source,
Open Hardware y Open Code; lo que facilita la inclusión de este proyecto a
nuevos sistemas y adaptabilidad o funciones.
Concluisones
Figura 6.
Próximo aplicativo
del Robot
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1. Arduino Inc, 2014. .Arduino Mega”. Disponible en
https://store.arduino.cc/usa/arduino-mega-2560-rev3
2. Orage Pi Inc, 2016. .Orange Pi+ 2E”. Disponible en
http://www.orangepi.org/orangepiplus2/
3. Gleason, K., “Tutorial Androit WebRTC” [online], Enero 2016
Disponible en: https://github.com/GleasonK/android-webrtctutorial/
graphs/contributors
4. Behnke, S., M. Schreiber, J. St¨uckler, R. Renner, H. Strasdat, 2006.
See, walk, and kick: “humanoid robots start to play soccer”, 6th IEEE-RAS
International Conference on Humanoid Robots, 7 pp.
5. Behnke, S., M. Schreiber, J. St¨uckler, R. Renner, H. Strasdat, 2006.
See,walk, and kick: humanoid robots start to play soccer, 6th IEEE-RAS
International Conference on Humanoid Robots, 7 pp.
6. Huawei Inc, 2015. ”Huawei E5330, modem-Router MiFi 3.5G WiFi”.
Disponible en http://www.blauden.com/huawei-e5330-modemrouter-
mi-3-5g-wi-portatil-libre
7. E. Orozco Acosta, “Simulación en tiempo discreto de un proceso
de abastecimiento de combustible como una herramienta de toma de
decisiones: Caso estación de servicios en Barranquilla”, Dictamen Libre, no.
1011, pp. 7-13, 2012.
Referencias Bibliográficas
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Vol 5 No2 / Julio a Diciembre 2017
Diseño y desarrollo de un prototipo robótico con orange PI
Honda Motor Co., “Honda unveils all-new ASIMO with signicant
advancements”, [online], Junio 2014. Disponible en http://world.honda.
com/news/2011/c111108All-new-ASIMO/index.html.
Itzees, Open CV About, Junio de 2014,[online], Disponible en http://
opencv.org/about.html.
Open Source Robotics Foundation, .About ROS”, Febrero 2014, [online],
Disponible en http://www.ros.org/about-ros/.
Valkov, E., 2013. Raspberry Pi camera with OpenCV. Disponible en http://
robidouille.wordpress.com/2013/10/19/raspberry-picamera-with-
opencv/.
Bibliografia de consulta
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J. Leiva., y J. Valero, “Diseño y desarrollo de un prototipo
robótico con orange PI”, Investigación e Innovación en
Ingenierias, vol. 5, n°. 2, pp. 174-189., 2017
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ISSN: 2344-8652