Por una educación inclusiva y de calidad. Súper Antonio.

Por una educación inclusiva y de calidad

Proyecto MIMOV de teleasistencia y geolocalización de un alumno con necesidades educativas especiales asociadas a una parálisis cerebral. IES PAU CASESNOVES Inca (Mallorca). La tecnología AGPS (Assisted Global Positioning System)

Un sistema GPS (Global Positioning System) o Sistema de Posicionamiento Global es un sistema compuesto por un lado por una red de 30 satélites denominada NAVSTAR, situados en una órbita a unos 20.000 km. de la Tierra, y por otro lado por unos receptores GPS, que permiten determinar nuestra posición en cualquier lugar del planeta, bajo cualquier condición meteorológica. La red de satélites es propiedad del Gobierno de los Estados Unidos de América y está gestionado por su Departamento de Defensa (DoD). El GPS convencional presenta dificultades a la hora de proporcionar posiciones precisas en condiciones de baja señal. Por ejemplo, cuando el aparato está rodeado de edificios altos (como consecuencia de la recepción de múltiples señales rebotadas) o cuando la señal del satélite se ve atenuada por encontrarnos con obstáculos, dentro de edificios o debajo de árboles. De todos modos algunos de los nuevos aparatos GPS reciben mejor las señales de poca potencia y funcionan mejor en estas condiciones que aparatos más antiguos y menos sensibles.

Además, la primera vez que los receptores GPS se encienden en tales condiciones, algunos sistemas no asistidos no son capaces de descargar información de los satélites GPS, haciéndolos incapaces de funcionar, triangular o posicionarse hasta que se reciba una señal clara durante al menos un minuto.

El dispositivo MIMOV que vamos a integrar como complemento a las nececidades educativas especiales del alumno de nuestro instituto dispone de la posibilidad de usar un GPS en su versión básica o si la tarjeta SIM dispone de acceso a datos usar la tecnología A-GPS.

Nosotros nos hemos decidido por esta última opción para geolocalizar de manera más rápida y efectiva al dispositivo y evitar el denominado primer posicionamiento o posicionamiento inicial (del inglés TTFF (Time To First Fix), que suele ser muy largo en general, incluso según las condiciones, de minutos.

El acrónimo A-GPS deriva de los términos ingleses Assisted Global Positioning System, es decir, GPS asistido, y se suele usar en teléfonos y dispositivos móviles. El desarrollo de A-GPS fue acelerado por requerimiento del servicio de emergencias E911 (similar al 112 europeo) de la FCC estadounidense, el cual requiere la posición de un teléfono móvil en caso de que realice una llamada de emergencia.

El sistema A-GPS fue introducido para mejorar el funcionamiento del GPS interno de los terminales y puede solucionar estos problemas de diversas formas mediante el acceso a un Servidor de Asistencia en línea (modo «on-line») o fuera de línea (modo «off-line»). Los modos en línea acceden a los datos en tiempo real, por lo que tienen la necesidad de tener una conexión de datos activa con el consiguiente coste de la conexión. Por contra, los sistemas fuera de línea permiten utilizar datos descargados previamente.

Por tanto, algunos dispositivos A-GPS requieren una conexión activa (modo en línea) a una red celular de teléfono (como GSM) para funcionar, mientras que en otros simplemente se hace el posicionamiento más rápido y preciso, pero no se requiere conexión (modo fuera de línea). Los dispositivos que funcionan en modo fuera de línea («off-line»), descargan un fichero mientras tienen acceso a la red (ya sea a través de una conexión de datos GPRS, Ethernet, WIFI, ActiveSync o similar) que se almacena en el dispositivo y puede ser utilizado por éste durante varios días hasta que la información se vuelve obsoleta y se nos avisa de que es preciso actualizar los datos o en lugares sin conexión de datos.

En cualquier caso, el sistema de GPS asistido utilizará los datos obtenidos, de una u otra forma, de un servidor externo y lo combinará con la información de la celda o antena de telefonía móvil para conocer la posición y saber qué satélites tiene encima. Todos estos datos de los satélites están almacenados en el servidor externo o en el fichero descargado, y según nuestra posición dada por la red de telefonía, el GPS dispondrá de los datos de unos satélites u otros y completará a los que esté recibiendo a través del receptor convencional de GPS, de manera que la puesta en marcha de la navegación es notablemente más rápida y precisa.

Por tanto:

Cuando trabajamos en modo en línea («on-line»):

• El servidor de asistencia puede hacer saber al teléfono su posición aproximada, conociendo la celda de telefonía móvil por la que se encuentra conectado a la red celular
  
• El servidor de asistencia recibe la señal de satélite perfectamente, y posee grandes capacidades de cómputo, por lo que puede comparar señales recibidas procedentes del teléfono y determinar una posición precisa para informar al teléfono o a los servicios de emergencia de tal posición.
• Puede proveer datos orbitales de los satélites GPS al teléfono, haciéndolo capaz de conectarse a los satélites, cuando de otra manera no podría, y calcular su posición de manera autónoma.
• Puede tener mejor conocimiento de las condiciones ionosféricas y otros errores que podrían afectar la señal GPS que el teléfono, dotándolo de un cálculo más preciso de su posición.

Como beneficio adicional, puede reducirse tanto la utilización de CPU como la cantidad de líneas de código que se necesiten calcular por parte del teléfono, ya que muchos procesos se realizan en el servidor de asistencia (no es una gran cantidad de procesamiento para un receptor GPS básico

Cuando trabajamos en modo fuera de línea («off-line»):

• El teléfono obtiene su posición aproximada conociendo la celda de telefonía móvil por la que se encuentra conectado a la red celular y se la entrega al sistema integrado en el dispositivo.
• El GPS asistido, que habrá obtenido previamente del servidor de asistencia los datos, determina qué satélites tenemos encima y obtiene la posición completando los datos parciales que recibe el receptor GPS convencional.

Los beneficios del GPS Asistido son muchos: la localización de satélites mucho mas rápido que con el GPS tradicional, necesidad menor de señales fuertes provenientes de los satélites al inicio de la navegación, también puede reducirse tanto la utilización de CPU como la cantidad de cálculos que se necesiten por parte del teléfono, ya que muchos procesos se realizan en el servidor de asistencia, con el consiguiente ahorro de batería.

El principal inconveniente de esta nueva tecnología es que la información que nos llega del servidor externo lo hace mediante tráfico de datos. Los dispositivos A-GPS requieren una conexión activa a una red celular de teléfono (3G,GPRS) para funcionar, por lo tanto, hay que tener una tarifa de datos contratada con tu operador para controlar el gasto

Domótica aplicada a la discapacidad. Control de voz de mobiliario de vivienda.

Whill. Conversión de silla de ruedas convencional en vehículo eléctrico. Domótica ayudando a discapacitados.

En el campo de la salud, existe un nuevo dispositivo domótico para personas discapacitadas.  Desde Japón se ha creado un nuevo vehículo que permite desplazarse a sus usuarios con la seguridad y comodidad de una silla de ruedas, pero a una velocidad mayor para agilizar sus desplazamientos.  Ese dispositivo es enlazable via WiFi  con un sistema domótico KNX o LonWorks para controlar al mismo tiempo el entorno.

Este nuevo aparato, denominado WHILL, es un vehículo de movilidad personal, pensado para personas con discapacidad que usan silla de ruedas. Whill es un artefacto que se puede adaptar a una silla de ruedas y convertirla en unvehículo electrónico para que su usuario, aunque pueda ayudarse con las manos pueda descansar y desplazarse de manera más cómoda y ágil.

Whill, dispositivo que convierte silla de ruedas en vehículo eléctrico

Este novedoso dispositivo se adapta a las ruedas de una silla eléctrica, quedando a la altura de los reposabrazos un artilugio con el que el usuario puede manejar el nuevo vehículo. El mando de control se puede ajustar a la altura más conveniente y se bloquea y desbloquea de manera manual en cada rueda para una mayor seguridad.

Los controles que se ajustan a cada rueda incorporan un motor de 24 voltios, alimentado por una batería de litio-ion, y permitiendo a la silla alcanzar una velocidad máxima de 20 km/h. Las baterías se recargan en apenas 2 horas y permiten una autonomía de unos 30 km.

El prototipo de este nuevo artilugio fue presentado en el Salón del Automóvil en Tokio con gran éxito, por lo que se espera que en breve comience a comercializarse en el país del sol naciente.

Control de vivienda unifamiliar desde silla de ruedas, iPad y reconocimiento de voz.

 

 

Mejora del interface con domótica por medio de la tecnología basada en grafeno.

Domótica para ciegos. Gafas lectoras y reproducción sonora inmediata.

Domótica aplicada a discapacidad. Adaptación de viviendas a personas amputadas

 

Determinación de velocidad y aceleración en sistemas autómatas

Existen varios métodos para determinar la velocidad  para introducirlos en un sistema autómata:
El primer método que podemos encontrar es el que se basa en la medida de la posición. Puesto que hemos visto que existen gran diversidad de métodos para calcular la posición del robot, podemos derivar de esta medida la velocidad. Esto se haría aplicando directamente la definición de velocidad, es decir, incremento de posición dividido entre el tiempo.
Aparte de ese sencillo primer método, podemos citar algunos otros un poco más ekaborados:

• TacogeneradorEs un dispositivo para medir la velocidad angular. Su funcionamiento es sencillo: convertir la energía rotacional del eje en cuestión en energía eléctrica, proporcional a la rotacional y que puede ser fácilmente medida.
  Una posible configuración podría ser la que se ve en la figura.
  Para generar la corriente a partir del giro se acopla al motor o eje que se va a medir, una espira situada dentro de un campo magnético fijo ( creado por los dos imanes). Al girar el motor, la espira girará en el interior del campo magnético, lo que provocará una corriente eléctrica.
  Estos dispositivos pueden llegar a tener una precisión del 0,5 %, por lo que pueden resultar una solución aceptable a la hora de medir la velocidad angular.
• Sensores DopplerLos sensores basados en el efecto Doppler miden la velocidad lineal de un objeto móvil apoyandose en otra superficie. Se basan en la observación del desplazamiento en frecuencia de una radiación emitida por el sensor y reflejada en una superficie que se está moviendo con respecto al robot.
  Este sistema es usado amenudo en sistemas marítimos, donde se emplean ondas acústicas que se reflejan en la superficie oceánica.
  Como se puede apreciar en el dibujo, una vez conocida la velocidad de vuelta de la señal al sensor, se puede calcular mediante una relación trigonométrica simple la velocidad de la superficie ( a partir de la cuals e calcularía la velocidad del móvil). Es para calcular la velocidad de vuelta de la señal al sensor cuando se realiza una comprobación del desfase de frecuencias.
  

• LVT (Linear Velocity Transducers)Este tipo de sensores se basan en un principio electromagnético similar al que veiamos en los sensores de posición LVDT. Los sensores LVT constan de un núcleo magnético permanente en forma de varilla; este nucleo es el que es conectado al dispositivo cuya velocidad vamos a medir. Arriba y abajo de la varilla se diponen dos espirales conductoras. Por la ley de Faraday, en las espiras se desarrolla una diferencia de potencial proporcional al cambio en el campo magnético al que están sometidas. Puesto que el núcleo es un imán permanente, el cambio en el campo sólo puede estar provocado por el movimiento de dicho núcleo. Así, si medimos la diferencia de potencial en las espiras podremos deducir la velocidad a la que se ha movido el núcleo y, por consiguiente, el elemento de interés.

El último tipo de sensores internos que vamos a ver son los sensores para el cálculo de la aceleración. La aceleración es una variable interna del robot cuyo valor es utilizado para aplicaciones bastante concretas; no obstante existen una serie de métodos y sensores para su cálculo.
Al igual que ocurría con la velocidad, la primera manera que podemos pensar para conocer la aceleración de un robot es derivar de la velocidad, de forma análoga a como se puede conocer la velocidad a partir de la posición. Sin embargo, este ssistema no suele aportar demasiados buenos resultados. Es por esto que también existen sensores especializados en el cálculo de la aceleración. La mayoría de ellos se basan en la segunda ley de Newton, de forma que si conocemos la masa del robot y la fuerza que está ejerciendo un determinado motor podríamos conocer la aceleración. Vamos a ver dos dispositivos concretos para el cálculo de la aceleración.

• Servo-acelerómetroEste es un dispositivo para medir la aceleración angular. El dispositivo cuya aceleración de giro vamos medir se conecta a un péndulo. Cuando gira dicho elemento el péndulo lo hace con él. Un sensor de posición capta el movimiento del péndulo y mediante un circuito electrónico se compara la señal del sensor de posición con una señal de referencia. Entonces un motor de rotación aplica una fuerza al péndulo determinada por ese circuito electrónico y que hace girar al péndulo en sentido opuesto al del elemento. La posición en la que se detiene el péndulo es proporcionala la aceleración inicial aplicada.
  Estos sensores pueden medir aceleraciones de hasta 1000 radianes por segundo al cuadrado y con precisiones muy elevadas.
• Acelerómetro piezo-resistivoEste dispositivo consta de una masa en forma de travesaño y dos medidiores de tensión. La masa está introducida en un receptáculo y tiene situados arriba y abajo los dos medidores. Cuando se produce una aceleración en el elemento a medir ( que estará unido de alguna forma a esa masa) la pieza en forma de travesaño se dobla y los con los medidores de tensión se podrá calcular la aceleración que ha provocado esa torsión. Realmente uno de los medidores se usa para la tensión y otro para la compresión.

Determinación de la posición mediante sensores.

Para que un robot realice su tarea de forma eficiente, rápida e inteligente, es preciso que tenga conocimiento de una serie de parámetros o características internas. Tales características son muy diversas y se intentará controlar unas u otras en función de las necesidades. Por ejemplo, puede ser necesario controlar la temperatura a la que está cierta parte del robot o la presión de sus ruedas. Sin embargo, hay ciertas características que resulta interesante poder controlar para la mayoría de los robots: la posición, la velocidad y la aceleración.

El problema de poder determinar la posición en la que se encuentra el robot en un momento determinado es uno de los más importantes e interesantes en el campo de estudio de la robótica. Actualmente no existe un método infalible y universal para calcular la posición, sino que, por el contrario, existen una serie de métodos basados en diversas técnicas que intentan resolver el problema. En la mayoría de los casos reales, la solución adoptada pasa por el empleo de varios de estos métodos. A continuación vamos a comentar los principales, en que se basan así como su funcionamiento.

• Encoders Incrementales 

  Los codificadores ópticos o encoders incrementales se utilizan fundamentalmente para el cálculo de la posición angular. Básicamente constan de un disco transparente, el cual tiene una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre si; de un elemento emisor de luz ( como un diodo LED); y de un elemento fotosensible que actua como receptor. El eje cuya posición angular se va a medir va acoplado al disco. ( Ver figura )
  
  El funcionamiento es el siguiente: cuando el sistema comienza a funcionar el emisor de luz empieza a emitir; a medida que el eje vaya girando, se producirán una serie de pulsos de luz en el receptor, correspondientes a la luz que atarviesa los huecos entre las marcas. Llevando una cuenta de esos pulsos es posible conocer la posición del eje.
  Sobre este esquema básico es habitual encontar algunas mejoras. Por ejemplo, se suele introducir otra franja de marcas por debajo, desplazada de la anterior, para poder controlar el sentido del giro; además suele ser necesario el empleo de una marca de referencia que nos ayudará a saber si hemos completado una vuelta.
  Realmente los encoders incrementales miden la velocidad de giro, pero podemos extrapolar la posición angular. Como es lógico, la resolución de este tipo de sensores depende directamente del número de marcas que podamos poner físicamente en el disco. 

• Encoder absoluto 

  La función de este tipo de dispositivos es similar a la de los anteriores, medir la posición angular. Sin embargo en este caso lo que se va a medir no es el incremento de esa posición, sino la posición exacta. La disposición es parecida a la de los encoders incrementales. También se dispone de una fuente de luz, de un disco graduado y de un fotorreceptor. La diferencia estriba en la graduación o codificación del disco. En este caso el disco se divide en un número fijo de sectores (potencia de 2) y se codifica cada uno con un código cíclico (normalmente un código de Gray); este código queda representado en el disco por zonas transparentes y opacas dispuestas radialmente, como se puede apreciar en la figura. No es necesaria ninguna mejora para etectar el sentido del giro, ya que la codificación de los distintos sectores angulares es absoluta.
  La resolución de estos sensores es fija y viene dada por el número de anillos que posea el disco, o lo que es lo mismo, el número de bits del código utilizado. Normalmente se usan códigos de 8 a 19 bits.
  Tanto los encoders absolutos como los incrementales pueden presentar provlemas debido a la gran precisión que es necesaria en el proceso de fabricación. Además son dispositivos especialmente sensibles a golpes y vibraciones.
  

• Potenciómetro 

  Los potenciómetros son unos dispositivos capaces de medir la posición angular y pequeños desplazamientos de posición lineal. Según el tipo de posición a medir tendremos dos tipos distintos de dispositivos pero la idea básica es común.
  Constan de una resistencia a través de la cual hay una determinada diferencia de potencial. Además hay un contacto unido a la resistencia pero que se puede deslizar a su alrededor; este elemento es conocido como wiper. El wiper se conecta físicamente al elemento cuyo movimiento vamos a medir. Cuando este elemento se mueva el wiper se ira moviendo por la resistencia y la tensión de salida en él ( en el wiper) irá cambiando. Si medimos está tensión de salida, podremos determinar cuanto se ha desplazado el wiper, y por lo tanto cuanto se ha desplazado el elemento que pretendiamos controlar. 

• Transformador diferencial de variación lineal (LVDT) 

  Como la mayoría de los dispositivos vistos hasta ahora, este tipo de sensores se basan en fenómenos eléctro-magnéticos. En el LVDT se une al eje cuyo desplazamiento vamos a medir un núcleo ferromagnético. Si situamos este núcleo entre una serie de inductancias, tal y como muestra el esquema, la diferencia de potencial E0 será proporcional al movimiento del núcleo ( y por lo tanto al del eje).
  Este sistema se utiliza ampliamente debido a su gran resolución, alta linealidad y rápida respuesta. Sin embargo, tiene el inconveniente de q ue no permite medir grandes desplazamientos ( por razones obvias).

Todos los sensores de posición que hemos visto hasta ahora suelen ser usados para medir la posición ángular y lineal de uniones de brazos de robot o de efectores finales de los mismos. Quizá la única excepción sean los encoders, que podemos encontra en algunos sistemas móviles.
A continuación, vamos a ver una serie de métodos para determinar la posición que suelen usarse en los sistemas robóticos móviles.

• Giroscopios 

  Los giroscopios son dispositivos que nos ayudan a medir el ángulo de giro de un objeto. Hay muchos tipos de giroscopio con estructuras muy diversas y complejas, pero todos se basan en el mismo principio, en las propiedades inerciales. Todos hemos realizado alguna vez el experimento de coger una rueda por esu eje de giro con las dos manos y hacerla girar. Cuando la rueda gira en su sentido natural notamos que también intenta girar con relación a otro eje, un eje vertical que iría de nuestros pies a nuestra cabeza. Basándose en este principio, los giroscopios son capaces de medir el ángulo de giro de un objeto. 

• Inclinómetros 

  Estos sensores sirven para medir la inclinación, el ángulo de un objeto con respecto a un eje horizontal. Están formados por un electrolito ( liquido conductor) situado en un recipiente en el cual hay introducidos dos electrodos de platino enfrentados y ambos con una parte fuera del electrolito. Cuando el sensor se inclina, uno de los electrodos entra más en contacto con el electrolito y el otro menos. Si se miden las corrientes de salida de los electrodos, es posible determinar el ángulo de inclinación. 

• Sistemas basados en «faros» 

  Estos sistemas están orientados a conocer la posición de un robot móvil en un sistema de coordenadas. El principio básico de funcionamiento, como indica su nombre, es similar al de los faros usados en navegación marítima. La idea consiste en situar una serie de puntos de referencia (cuya posición es conocida) que el robot pueda consultar en cualquier momento ( su posición, la distancia a ellos, etc..) , y así pueda calcular su posición. El tipo de señal que emiten esos puntos de referencia o «faros» puede ser de muchos tipos, como láser, ultrasonidos o radiofrecuencia. Son éstas las que ese suelen emplear en sistemas reales. Existen dos subtipos fundamentales: los sitemas pasivos de medición de fase, y los sistemas activos de trilateración mediante radar. 

  Los sistemas del primer tipo, se basan en la comparación del tiempo de llegada de dos señales emitidas simultaneamente desde dos transmisores conocidos. Conocida la diferencia en tiempo de la llegada de esas dos señales, es posible concluir que el robot se encontará en algún punto de una linea hiperbólica concreta (ver figura). Si repetimos el proceso con más parejas de transmisores, podremos determinar como posición del robot el punto de intersección de todas estas lineas hiperbólicas.
  Este tipo de medición de la posición tiene un error de unos 100 metros, pero un rango de operación de más de 1500 kilometros. Es por esto, que suele ser empleado en sistemas que se van a desplazar distancias muy amplias, y en los que no se necesita una escesiva precisón en la medida de la posición, como barcos.
  Los sistemas basados en «faros» del segundo tipo, los activos de trilateración mediante radar, se basan en unos elementos fijos llamados transponders. El sistema se dedica a medir el tiempo que tarda en ir y en volver una determinada señal enviada; con este tiempo puede calcular la distancia que hay entre él y ese transponder. Si tenemos las distancias a varios de estos transponders seremos capaces de calcular nuestra posición.
  El error cometido en este tipo de sistemas depende del número de transponders; se suelen emplear desde dos hasta dieciseis, y el error puede acotarse a 2 metros. Aunque mejora el tipo anterior, todavía son errores demasiado grandes para las aplicaciones que suelen tener los robots móviles. 

• Sistema de Posicionamiento Global (GPS) 

  Este sistema para determinar la posición absoluta en un determinado momento fue desarrollado por el Departamento de Defensa estadounidense. El sistema se basa en una constelación de 24 satélites geostacionarios, con una frecuencia de órbita de 12 horas y situados a una altura de 10.900 millas naúticas.
  Para poder usar este sistema de medida se necesita un elemento receptor. Realmente lo que se calcula es la posición de este receptor. El procedimiento es sencillo: el receptor mide el tiempo de vuelo de las señales que le llegan de los distintos satélites y por triángulación es capaz de deducir su posición exacta en términos de longitud, latitud y altitud. 

  A la hora de utilizar este dispositivo de medida es conveniente tener en cuenta cuatro aspectos: 

  – El tiempo de sincronización entre los satélites y los receptores
  – La precisa localización en tiempo real de la posición de los satélites
  – La precisión con la que hay que medir el tiempo de propagación de la señal
  – Una relación señal / ruido adecuada a posibles perturbaciones. 

  Este sistema de medida puede tener una precisión centimetros, pero la posibilidad de ruido y el tiempo que transcurre en todo el proceso, hace que no sea un método adecuado para su uso en robots móviles que se desenvuelvem en entornos más bien reducidos ( sobre todo comparados con el total de la tierra).