Presentación Proyecto # 54 Premio Eureka 2011 Mención Innovatividad Técnica
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Este documento presenta un proyecto para desarrollar un robot explorador controlado por software para ayudar a la División de Materiales Peligrosos del Cuerpo de Bomberos de Caracas a evaluar de forma más segura escenarios que involucren materiales peligrosos. El robot usaría sensores y cámaras para recopilar datos sobre la temperatura, gases y sustancias químicas en el área, transmitiendo la información de forma inalámbrica para que los bomberos puedan tomar medidas de contención sin exponerse a riesgos. El
Presentación Proyecto # 54 Premio Eureka 2011 Mención Innovatividad Técnica
- 1. Autor: Miguel Bernal C.I. 12.292.671 Caracas, Noviembre de 2011
- 2. El presente proyecto especial tiene como objetivo principal brindarle a la División de Materiales Peligrosos la posibilidad de incluir una nueva herramienta que reduzca de forma significativa los riesgos que corren los funcionarios en la tarea de reconocimiento y diagnostico físico y químico de un escenario que involucre materiales peligrosos fuera de control, logrando así que se puedan tomar las acciones más efectivas de contención del incidente de una forma más rápida y segura.
- 3. Los incidentes que involucran materiales peligrosos han causado graves lesiones a funcionarios, lesiones que los han inhabilitado o han reducido su desempeño laboral, trayendo como consecuencia también daños sicológicos. Por esta razón es importante entender que si se pueden utilizar las tecnologías de información en pro de evitar estos daños es preciso diseñarlas y desarrollarlas.
- 4. Este tipo de proyecto se ha hecho posible en otros campos de la vida y su capacidad al ser implementados en aéreas como la lucha contra el terrorismo, la delincuencia, la medicina o rescates de personas ya han sido comprobadas en otros países con lo que queda en evidencia su factibilidad.
- 5. El proyecto va dirigido a La División de Materiales Peligrosos del Cuerpo de Bombero de Caracas ya que esta destinado al control de un prototipo de robot explorador de ambientes con materiales peligrosos. Toda la población del Distrito Capital se vera beneficiada ya que esta herramienta ayudara a los bomberos a cumplir con su deber de forma más segura para ellos en cualquier lugar donde se presenten este tipo de incidentes.
- 6. La inquietud por desarrollar soluciones que vayan en pro de la eficacia al enfrentar los riesgos que implican estos incidentes ha estimulado la creación en otros países de robots a los que se les puede adherir mangueras de agua a presión para que se acerquen al fuego y lo extingan (Robot, Non plus ultra) o robots que manejados en forma remota rescaten personas desmayadas debido a la inhalación de humos (Robo-Rescue, Scooping People Out Of Harms Way). Más sin embargo el concepto de robot explorador químico fuera del ámbito de la exploración espacial o submarina, es un concepto relativamente nuevo y el cual las Instituciones, Universidades o grandes empresas privadas están empezando a explorar . Mars Rover Odyssey
- 7. En atención a la verdadera necesidad expresada por los bomberos de desarrollar una nueva herramienta que les ayude en una forma real a solucionar imprevistos que pueden estar presentes en el reconocimiento físico y químico de un ambiente hostil no conocido, se busco proponer a través de una herramienta informática la integración de algunas herramientas tecnológicas ya conocidas y utilizadas por ellos, como lo es el explosímetro y también la integración de otras tecnologías como Bluetooth, Zigbee, Arduino y Lego Mindstorm para crear una solución lo más practica y funcional posible, demostrando de esta forma que se puede cumplir con la solución de la necesidad planteada y demostrando al mismo tiempo que se pueden unir varias tecnologías en una solución informática que cumpla con trabajos extremos y difíciles.
- 8. En honor al trabajo realizado diariamente por los funcionarios bomberiles y en específico a la División de Materiales Peligrosos no podría expresar un valor cualitativo sobre los beneficios ya que sus vidas no tienen precio y este valor se magnifica cada vez que ellos salen a salvar otras vidas. Por eso si con la materialización y puesta en servicio de este proyecto se logran salvar sus vidas la recompensa y gratificación serian enormes. El beneficio cuantitativo redundará siempre en la rapidez y eficacia con que puedan actuar gracias a una evaluación completa del sitio en cuestión sin exponer sus vidas, pudiendo extender entonces la vida útil de los equipos de protección y herramientas manuales ya que no tendrían la necesidad de utilizarlos para hacer las primeras evaluaciones, utilizándolos solo si es necesario. Ya que el proyecto es una realidad a nivel funcional con las tecnologías existentes y su construcción no es tan costosa, se puede asegurar que construir un modelo que este completamente en servicio es muy posible a un bajo costo de construcción y mantenimiento.
- 9. Objetivo General Desarrollar un software de control para un prototipo de robot explorador dirigido a la División de Materiales peligrosos del Cuerpo de Bomberos del Distrito Capital. Objetivos específicos Observar las actividades realizadas por la División de Materiales Peligrosos del cuerpo de bomberos del Distrito Capital. 2. Identificar las actividades realizadas por los cuerpos bomberiles en situaciones de riesgo con materiales peligrosos. 3. Identificar los riesgos a los que se exponen los funcionarios de la División de Materiales Peligrosos. 4. Determinar las herramientas utilizadas para dar respuesta a los eventos con los materiales peligrosos fuera de control. 5. Identificar los requerimientos necesarios para la aplicación de la robótica como herramienta de apoyo en incidentes con materiales peligrosos.
- 10. 6. Realizar el diseño físico del prototipo robótico en base a los requerimientos. 7. Reunir los componentes necesarios para construir el prototipo, utilizando dos plataformas de desarrollo robótico Lego MindStorm y la placa Arduino Duemilanove, sensores químicos electrónicos, radio módems, cámara inalámbrica, baterías y piezas recicladas como plástico, cartón y metal. 8. Construir los componentes electrónicos necesarios para cubrir algunas funciones importantes del prototipo (lámparas de luz blanca e infrarroja). 9. Diseñar los circuitos electrónicos para unir los dispositivos y componentes electrónicos. 10. Diseñar el esquema de comunicaciones entre el prototipo y la computadora (PC) utilizando dos protocolos de comunicación (Bluetooth y Zigbee tecnology). 11. Desarrollar las interfaces del software para la comunicación y control del prototipo.
- 11. En el desarrollo de un software que pueda servir como controlador en un robot prototipo en función de cumplir con la exploración de un ambiente determinado es necesario la utilización de entornos de programación (IDEs) y controladores (Drivers) de dispositivos físicos que permitan integrar y dar un diseño real y funcional a un robot. En este sentido se utilizaron dos IDEs de programación: Eclipse software y Arduino software basados en el lenguaje de programación JAVA. Debido a los requerimientos de diseño y construcción del prototipo se optó por utilizar dos plataformas electrónicas de desarrollo de prototipos robóticos, una para el control de los movimientos conformado por el kit de desarrollo robótico Lego Mindstorm y la segunda para la recolección de datos químicos y de temperaturas conformado por la placa Arduino Duemilanove las cuales utilizan cada una por su parte controladores que les ayudaran a adaptarse y funcionar en forma optima dentro del entorno de programación JAVA. Adicionalmente se utilizaron otros componentes electrónicos y de reciclaje.
- 12. Tras el largo trabajo llevado a cabo en la recolección de información he investigación y en la adquisición, puesta a prueba y definitiva inclusión de los componentes que llevaría el prototipo para obtener un diseño consistente y que pudiera adaptarse de forma definitiva con el software controlador, se procedió con el montaje del mismo en dos bloques, los cuales están conformados por las plataformas de diseño para proyectos robóticos Lego Mindstorm y Arduino Duemilanove, conjuntamente con componentes electrónicos, baterías y circuitos electrónicos diseñados con el fin de completar las funcionalidades asignadas a cada bloque. Arduino Modulo de comunicación Xbee de Zigbee Lego Mindstorm Modulo inalámbrico Bluetooth
- 13. Para la parte de programación y puesta en marcha de las funcionalidades del modulo de recolección de datos se uso el entorno de programación Arduino, este viene con la plataforma Arduino la cual funciona con los controladores (Drivers) FTDI, este comunica el micro controlador Arduino con la PC a través del puerto USB. El WinAVR se encarga de compilar el código escrito en el entorno para programar el micro controlador y proporcionarle las instrucciones necesarias para su funcionamiento. Para lograr la comunicación entre el micro controlador y la PC de forma inalámbrica se le adiciona a cada uno el modulo Xbee basado en el protocolo de comunicaciones 802.15,4 de Zigbee y que se puede configurar a través del Hyper Terminal de Windows XP.
- 14. Para la parte de programación y puesta en marcha de las funcionalidades del modulo de control de movimientos, funciones de la cámara y luces de trabajo se uso el entorno de programación Eclipse, este trabaja en conjunto con la maquina virtual para Lego Mindstorm LeJOS, y permite que sea controlado de forma inalámbrica gracias a la API que implementa el núcleo de clases en Java y que maneja las comunicaciones Bluetooth. Adicionalmente para la funcionalidades de captura y transmisión de video en tiempo real se cuenta con las librerías proporcionadas por el API de java, JMF o Java Media Framwork que hacen posible la creación del modulo de guía visual para el operador con el fin de que este condusca asia su objetivo al robot.
- 15. Se han realizado pruebas de la funcionalidad del prototipo en aspectos como: Alcance de transmisión de los datos de los sensores por parte del modulo Xbee, los cuales alcanzan un máximo de 30 mts en el caso de obstáculos como paredes y hasta 90 mts sin obstáculos. En el caso del control de movimientos a través del puerto Bluetooth este tiene un alcance máximo sin perdida de control hasta de 30 mts mientras las baterías del Lego Mindstorm y las de la computadora portátil estén a su máxima carga, presentando un retardo en las ordenes cuando alcanza los 22 mts si no tiene carga completa en las baterías. Cabe aclarar que la clase del Bluetooth en este caso clase 1 para la computadora produce una ganancia más efectiva debido a que su rango nominal es de 100 mts y el de Lego Mindstorm es de 10 mts máximo. Cada sensor expresa un valor diferente y por esta razón los valores mostrados en cada uno son diferentes y están determinados por sus correspondientes nomenclaturas: Temperatura: prueba de comparación con termómetros análogos muestran una lectura normal en su medición. Sensor Etanol: rango de medición basado en grados porcentuales de alcohol por mililitros, muestra una lectura normal en su medición.
- 16. Sensor de gas y CO2: rango de medición basado en Partes Por Millón (PPM, una parte del elemento a medir en un millón de partes de aire), muestran una sensibilidad variable debido al rango establecido entre 100 y 5000 PPM, siendo 5000 como valor máximo de saturación en la medida. Sensor de humedad relativa: basado en la medición porcentual de la humedad presente en un ambiente determinado en un rango de 0% a 100% siendo el máximo valor 100%.. Pruebas del Odómetro o contador de distancia recorrida: la distancia recorrida por el robot es mostrada en la interfaz del operador con lo cual éste puede tener una idea de cuan lejos esta su objetivo. Rango hasta de 1 cm de tolerancia. Prueba de conexión de los diferentes módulos con el robot: positivas. Prueba de maniobrabilidad del robot a través de las interfaces de control (pantalla/teclado): positiva. Prueba de recolección, muestra y almacenamiento de los datos de los sensores e imágenes: positivas. Prueba de transmisión y captura de video, tolerable hasta 15 mts con obstáculos y 25 mts lineales( el alcance en la transmisión de video depende de la capacidad de la cámara inalámbrica instalada en el robot).
- 17. Debido a que la División de Materiales Peligrosos del Cuerpo de Bomberos de Caracas realiza una excelente labor salvando vidas y patrimonios, es más que evidente que sería de mucha ayuda que pudiesen contar con la realización y puesta en servicio de una herramienta de este tipo, generando con su experiencia en el uso de la misma, confianza para que se promuevan otros desarrollos tecnológicos que vayan enfocados a otras áreas no menos importantes para el país y para la vida.
- 21. ¡Gracias por su atención! …