Ingenieria conceptual de sensores y actuadores para una ...
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1 INGENIERIA CONCEPTUAL DE SENSORES Y ACTUADORES PARA UNA PLATAFORMA ROBÓTICA DE EXPLORACIÓN Y REPARACIÓN DE SISTEMAS HIDROSANITARIOS JULIÁN DAVID PAREJA GARZÓN JUAN PABLO ANDRÉS RAMÍREZ PARDO Trabajo de grado para optar por el título de Ingeniero Electrónico Directores: ING. FREDY ORLANDO RUIZ PALACIOS Ph.D. ING. DIEGO ALEJANDRO PATIÑO GUEVARA Ph.D. PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ, Noviembre de 2012
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INGENIERIA CONCEPTUAL DE SENSORES Y ACTUADORES PARA
UNA PLATAFORMA ROBÓTICA DE EXPLORACIÓN Y
REPARACIÓN DE SISTEMAS HIDROSANITARIOS
JULIÁN DAVID PAREJA GARZÓN
JUAN PABLO ANDRÉS RAMÍREZ PARDO
Trabajo de grado para optar por el título de Ingeniero Electrónico
Directores:
ING. FREDY ORLANDO RUIZ PALACIOS Ph.D.
ING. DIEGO ALEJANDRO PATIÑO GUEVARA Ph.D.
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ, Noviembre de 2012
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AGRADECIMIENTOS
Deseamos expresar nuestros sinceros agradecimientos a:
- Nuestras familias por su paciencia, apoyo y confianza durante toda la carrera y especialmente
en este proceso del proyecto de grado. El esfuerzo de nuestros padres, más allá del aspecto
económico, fue determinante para alcanzar esta nueva meta en nuestras vidas.
- Los directores del Proyecto, ingenieros Fredy Ruiz y Diego Patiño, por brindarnos la
oportunidad de participar en este trabajo que se consolida como una herramienta que servirá
para nuestra formación y nuestro desempeño futuro. A partir de esta experiencia contamos con
mayores elementos de diseño y un criterio más centralizado y válido para la selección de los
equipos en un sistema integrado.
- Hidráulica y Urbanismo H&U por depositar su confianza en nosotros, por atender a nuestras
recomendaciones como investigadores y por formular inquietudes que contribuyeron con una
óptima selección de los equipos a implementar.
- La Pontificia Universidad Javeriana por permitir alcanzar el título de Ingeniero Electrónico, al
considerar este desarrollo como un proyecto acreditador para el título.
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CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN …………………………………………………………………………. 6
2. REQUERIMIENTOS ………………………………………………………………………. 7
3. CARACTERÍSTICAS DEL ROBOT ……………………………………………………….9
4. PARÁMETROS DE MEDICIÓN …………………………………………………………. 10
5. DIAGRAMA DE BLOQUES GENERAL…………………………………………………. 11
6. CAPITULO 1. BATERÍAS ………………………………………………………………... 30
6.1 Constante de Carga C ………………………………………………………………….. 31
7. CAPITULO 2. MOTORES ………………………………………………………………... 12
8. CAPITULO 8. CÁMARAS ……………………………………………………………….. 14
8.1 Elección ………………………………………………………………………………... 18
8.2 Cámara de Apoyo ……………………………………………………………………… 20
9. CAPITULO 4.ILUMINACIÓN……………………………………………………………. 21
10. CAPITULO 5 SENSORES ………………………………………………………………... 23
10.1 Sensor de Humedad y Temperatura ………………………………………………….. 24
10.2 Sensor de Presión …………………………………………………………………….. 25
10.3 Sensor de Inclinación ………………………………………………………………… 27
10.4 Medidor de Distancia Lineal …………………………………………………………. 28
11. CAPITULO 6. COMPUTADORES ………………………………………………………. 29
12. DIAGRAMA DE BLOQUE ESPECIFICO ……………………………………………….. 33
13. TABLA DE EQUIPOS SUGERIDOS……………………………………………………... 35
14. CONCLUSIONES …………………………………………………………………………. 36
15. BIBLIOGRAFÍA …………………………………………………………………………… 36
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LISTA DE TABLAS
TABLA 1. Tabla comparativa de tecnología de construcción motores …………………………. 14
TABLA 2. Tabla comparativa entre todas las cámaras consultadas ……………………………. 19
TABLA 3. . Tabla de especificaciones de lámpara de iluminación …………………………….. 22
TABLA 4. . Tabla comparativa de sensores de humedad ………………………………………. 24
TABLA 5. . Tabla Comparativa de Sensores de temperatura ………………………………...… 25
TABLA 6. . Tabla comparativa de los sensores de presión ……………………………………. .26
TABLA 7. . Tabla comparativa de Inclinómetros ………………………………………………. 28
TABLA 8. Tabla comparativa de sensores de distancia lineal ……………………………….…. 29
TABLA 9. Tabla comparativa de modelos de computador central ……………………………… 30
TABLA 10. Tabla comparativa de tipos de baterías ……………………………………………… 33
TABLA 11. Tabla deEquipos sugeridos …………………………………………………………..35
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LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1. . Inspección Hidrosanitaria ………………………………………………………….8
FIGURA 2. Obstáculo contundente ………………………………………………………………8
FIGURA 3. Estado Interno de una tubería real …………………………………………………..9
FIGURA 4. Ilustración del efecto memoria ……………………………………………………..12
FIGURA 5. Diagrama de bloques Funcionamiento Sensor CCD ……………………………......15
FIGURA 6. Procesamiento Imagen sensor CMOS …………………………………………........16
FIGURA 7. Diferenciación de velocidad de captura entre sensor CCD y CMOS ……………….16
FIGURA 8. – Principio de funcionamiento Sensor CMOS Exmor R. …………………………...17
FIGURA 9. Foto comparativa de un sensor CMOS Exmor con un Sensor convencional ……….18
FIGURA 10. Comparación de formatos de compresión de imagen ……………………………..20
FIGURA 11. Robot Versatrax VLR300 ………………………………………………………….21
FIGURA 12. Visión de la cámara dentro del tubo ……………………………………………….22
FIGURA 13. Ejemplo de Curva fotométrica bombillo convencional para un flujo luminoso …..23
de 1000 luménes . …………………………………………………………………………………
FIGURA 14. Tabla referencia de iluminancia ……………………………………………………
FIGURA 15. Error de medida de presión a diferentes temperaturas del sensor MS5541-30C .....
FIGURA 16. . Error de medida de presión a diferentes temperaturas del sensor MS5535-30C …
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1. INTRODUCCIÓN
En el actual mundo globalizado es posible ver cómo va en aumento la exploración y reparación de
tuberías hidrosanitarias con dispositivos de mandos a distancia, más conocidos como robots. Estos
robots, existentes en el mercado, utilizan cables para la transmisión de datos, alimentación y ubicación
dentro de la tubería; tal y como lo trabaja la empresa Hidráulica y UrbanismoH&U, que se destaca en
el ámbito nacional por desempeñarse en este campo.
Con el fin de hacer un aporte significativo en el mejoramiento de los robots y optimizar e innovar en el
campo de exploración y reparación de tuberías hidrosanitarias se propone este Proyecto, presentado
por la Pontificia Universidad Javeriana y la Universidad Militar Nueva Granada, que consiste en crear
un robot o sistema mecánico controlado inalámbricamente, capaz de detectar y reparar daños en los
sistemas hidrosanitarios.
Con este trabajo se pretende desarrollar la ingeniería conceptual de los sensores y actuadores para una
plataforma robótica de exploración hidrosanitaria, y de manera específica se quiere definir las
variables a medir como posición, distancia y perturbaciones en el medio, definiendo la exactitud y
precisión requerida.
Igualmente, y a partir de los requerimientos dados por el cliente, se desea seleccionar los equipos
necesarios teniendo en cuenta los costos y la tecnología de los dispositivos como la medición láser,
electromagnética, construcción robusta y respuesta rápida.
También se busca definir la arquitectura para la integración de sensores y actuadores en el sistema
embebido de control del robot de la plataforma.
Así mismo, otra de las principales finalidades de la propuesta es evaluar la viabilidad de construir una
plataforma robótica con la habilidad de detectar los daños en las tuberías. El sistema ofrecerá un
constante monitoreo de las características ambientales en las que éste trabajará internamente, es decir
su parte electrónica. El sistema funcionará de forma inalámbrica,en promedio para distancias de
100mts con tuberías de diámetros comprendidos entre 12” y 60”. Además, éste debe presentar un
informe de la inclinación a la que se encuentra trabajando,con un error admitido de 0.02° y la distancia
lineal recorrida, con un error de 10 cm aproximadamente. Adicionalmente, el robot debe tener mínimo
dos horas de autonomía energética.
Al mismo tiempo, se quiere ante todo evaluar hasta qué punto es viable cumplir con las expectativas
de contar con equipos de alta tecnología y fácil conexión para garantizar que el robot sea modular;
igualmente, se desea plantear la mejor solución posible, dentro del presupuesto estipulado, para
responder a las normas exigidas por la Ley (Norma Técnica de Servicio NS-058) para este tipo de
inspección en sistemas de saneamiento.
En este documento se dará una explicación clara y concisa de las tecnologías existentes para la
medición de parámetros, alimentación, movimiento y sistema de video. Se expondrán algunas clases
de sensores que componen las cámaras en el mercado (CCD y CMOS) y se planteará una breve
comparación entre ellos. También se analizarán las diferentes características entre cámaras, baterías,
iluminación y motores, entre otros.
Contando con que va a trabajarse en un medio hostil y corrosivo, como lo es una tubería sanitaria,
deben tenerse en cuenta parámetros como la composición del agua y los gases presentes, para
seleccionar los materiales más apropiados para soportar las condiciones.
En este caso, como la universidad Militar Nueva Granada está encargada del diseño mecánico del
robot, se encargaron también de hacer el análisis del medio para seleccionar el material más
apropiado, debido a que los dispositivos electrónicos no estarán expuestos sino que irán dentro de un
recubrimiento fabricado para proteger los dispositivos.
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OBJETIVO GENERAL Y ESPECÍFICOS
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar la ingeniería conceptual de los sensores y actuadores para una plataforma robótica de
exploración hidrosanitaria.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Definir las variables a medir, como posición, distancia y perturbaciones en el medio,
definiendo la exactitud y precisión requerida.
A partir de los requerimientos dados por el cliente, Seleccionar los equipos necesarios
teniendo en cuenta tecnología de los dispositivos (medición láser, electromagnética,
construcción robusta, respuesta rápida) y costos.
Definir la arquitectura para la integración de sensores y actuadores en el sistema embebido de
control del robot de la plataforma.
2. REQUERIMIENTOS
El robot a diseñar, debe cumplir con ciertas condiciones de medición y funcionamiento, propuestas
por el cliente, en este caso la empresa de hidráulica y urbanismos H&U en su propuesta de proyecto
YNAMI, desarrollado por los ingenieros de la compañía con la asesoría de un grupo de ingenieros de
la UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA y LA PONTIFICIA UNIVERSIDAD
JAVERIANA.
El robot funcionará de forma inalámbrica, dentro de una tubería sanitaria hecha con tubos de PVC de
alrededor de los 100 metros de longitud, deberá estar en capacidad de realizar una inspección detallada
de los fallos que puedan estarse presentando dentro del sistema sanitario, para lo cual se sugiere una
autonomía de alimentación de 2 horas como máximo.
El sistema debe estar en capacidad de monitorear la presión, temperatura y la humedad presentes en la
electrónica, permitiendo la prevención de averías mayores en la misma, entiéndase alguna fuga de
presión y cambios en la humedad relativa, que puede traducirse en una intrusión de agua en los
dispositivos de medición y procesamiento, como un exceso en la temperatura, lo que puede repercutir
en daños a los circuitos involucrados (sensores, computador, baterías, cámara), una cámara de visión
principal, de alta resolución, con las características que se presentaran mas adelante, que facilite al
operario identificar una falla dentro de la tubería. Además contará con una cámara auxiliar, ubicada en
la parte posterior, que se utilizara en caso de que el robot deba retroceder, permitiendo al operario
evadir obstáculos.
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Figura 1. Inspección Hidrosanitaria .Tomada de: http://www.trans-martel.com/d.aspx
Como se observa en la (Figura 1),el sistema contará con un conjunto de antenas, generando
redundancias dentro del tubo, garantizando total cobertura y comunicación en todo momento entre la
estación base y el robot.
Toda la instrumentación mencionada anteriormente, estará incluida en el armazón del robot que con
un previo análisis se hace necesario que esté dentro de un recubrimiento IP68, a excepción de antenas
y sistemas de comunicación.
Una de las fallas que puede presentarse, es una obstrucción puntual de la tubería, como la que se
muestra a continuación en la (Figura 2), o una obstrucción parcial como la que se muestra en la
(Figura 3), como también fisuras y filtraciones en el sistema.
Figura 2.Obstáculo Contundente. Tomado de: determinación del estado de redes de alcantarilladoteniendo en cuenta inspecciñon de circuito
cerrado de televisión (CCTV), Tesis Universidad de los Andes. Juan Manuel Escallón Arango. pdf
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Figura 3. Estado Interno de una tubería real. Tomado de: determinación del estado de redes de alcantarilladoteniendo en cuenta inspecciñon
de circuito cerrado de televisión (CCTV), Tesis Universidad de los Andes. Juan Manuel Escallón Arango. pdf
Para el desarrollo del robot se necesita:
CÁMARAS: éstas permiten visualizar de manera inmediata y en tiempo real el estado del
interior de las tuberías. Es indipensable hacer uso de dos cámaras en donde la principal,
ubicada delante del robot, además de contar con una excelente resolución que permita registrar
los más mínimos detalles en áreas con poca luminusidad, debe tener sistema PTZ(Pan, Tilt,
Zoom). Por su parte, la cámara auxiliar puede cumplir con características básicas de
resolución y se empleará para cubrir todos los puntos ciegos.
SENSORES: por tratarse de un dispositivo que se encontrará en medios hóstiles y las diversas
funciones que deben cumplir para proteger el robot, se requieren diferentes clases: los que
medirán distancia, inclinación, presión, humedad y temperatura.
BATERÍAS: serán las que van a suministrar la energía al robot de manera externa, debido a
que la propuesta es con sistema inalámbrico.
ILUMINACIÓN: es la que permitirá mayor nitidez en la captura de la imagen de la cámara.
Esta responderá a la norma técnica de servicio NS-058 que estipula que debe ser capaz de
irradiar la suficiente intensidad sin saturar el lente de la cámara.
COMPUTADOR: será el encargado de integrar todos los sistemas. Es el artefacto vital del
robot porque traducirá todos los protocolos de comunicación del sistema para entregar
información clara y sencilla al operario.
MOTORES: van a permitir la movilidad del robot y deben tener la sufuciente capacidad para
trasladar la estructura y su instrumentación. Contarán con su propio controlador para facilitar
el desplazamiento dentro del tubo.
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3.CARACTERÍSTICAS DEL ROBOT
Robots consultados en el mercado:
- Supervision, lateral launch, PANATEC
- CCTV re-envisioned. PANATEC
- Rovver, PANATEC
- Rovion, PANATEC
- Digi sewer, PANATEC
- Unidad móvil, TECSAN
En el mercado existen proyectos similares al que se propone. Es el caso de los sistemas: DE
INSPECCIÓN ROVION (PANATEC) y el INSPECCIÓN DIGISEWER, VERSATRAX 300
VLR y RAPOSA que tienen un peso promedio de 80 kg, poseeen modo de comunicación alámbrico,
tracción por ruedas, cámaras CCD (analógicas), sistema de iluminación LED, sensores de humedad,
presión, inclinación y consumos que oscilan entre los 600W y 1000W; además de un sistema de
generación de informes wincan [1] [2] [3].
De los sistemas en mención, se pueden tomar como referencia el peso de cada robot ya que es un
factor definitivo por tener una relación directa con el consumo y desempeño del sistema. Vale recordar
que estos robots tiene un peso promedio de 80Kg; también se puede destacar la importancia de la
iluminación tipo LED del robot, VERSATRAX 300 VLR, que se acomoda casi perfectamente en
cuanto a diseño y distribución que se quiere, debido a la poca visibilidad que se tiene en el medio en el
que se va a trabajar (tubos PVC), y a la tecnología de la cámara.
Todos los equipos existentes utilizan sensores CCD (Charge Couple Device) en sus cámaras; pero, por
razones de resolución, es preferible trabajar con el sensor CMOS (Complementary metal–oxide–
semiconductor) que reduce de manera significativa el consumo y presenta un mejor desempeño en
comparación del CCD en medios de baja y alta iluminación. El procesamiento de la imagen se hace
en el mismo sensor y las cámaras equipadas con esta tecnología tienen un menor costo gracias a que se
emplea menos circuitería para el procesamiento y la presentación de la imagen.
4. PARÁMETROS DE MEDICIÓN
Debido a que el robot propuesto tiene como finalidad explorar tuberías y detectar los daños de manera
excacta y oportuna, es necesario tener en cuenta las condiciones a las que se verá expuesto con las
respectivas especificaciones dadas por H&Ucomo son:
HUMEDAD: Especificaciones del 0 al 100% RH (humedad relativa). Debe existir un
monitoreo permanente al interior el robot para detectar de manera oportuna cualquier
filtración de líquidos.
INCLINACIÓN: Especificaciones de 0 a 30° ± 0.01°. Tendrá de base dos ejes de medida: en
posición vertical y horizontal que permitirán determinar la ubicación correcta dentro del
campo a explorar y así evitar confusión de posicionamiento.
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PRESIÓN: Con rango de 0 a 2 bar. Facilita revelar los cambios internos en la electrónica del
robot y evita posibles transformaciones que alteren la estructura que lo recubre.
DISTANCIA LINEAL: De 0 a 120 mts ± 10 cms. Permite determinar el punto exacto del
daño y evitará rompimientos equivocados o innecesarios en la tubería.
TEMPERATURA: Con rango de 0 a 100°C ± 1°. Ayuda a monitorear eficazmente cada
sensor ante un posible recalentamiento.
Como otra especificación a tener en cuenta es la protección de esta instrumentación. Esta debe
ser IP68 ó NEMA 6P para tener altos estándares de calidad según la norma IEC60529.
5. DIAGRAMA DE BLOQUES BÁSICO
Como puede observarse, en el diagrama de bloques básico se ve de una manera aproximada como va a
interactuar el sistema, y de qué partes se compone, asimismo se tiene en cuenta toda la
instrumentación sugerida y especificada por la empresa H&U. En primera instancia toda la
información de cada instrumento es procesada por el computador central, el sistema de comunicación
va directamente al computador y es el encargado de transmitir las señales al final del pozo, no se
especifica la iluminación ya que ésta va integrada con la cámara.
COMPUTADOR
SENSOR DE
HUMEDAD
SENSOR DE
PRESIÓN
SENSOR DE
INCLINACIÓN
CONTROLADO
R MOTORES
SISTEMA DE
COMUNICACIÓN CÁMARA
SENSOR DE
TEMPERATURA
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Figura 4. Bosquejo mecánico del robot en la tubería
7. CAPITULO 2. MOTORES
Los robots encontrados en el mercado, utilizan para su desplazamiento motores DC que consumen
100W aproximadamente y cuyo voltaje de encendido va desde los 48V, fue necesario encontrar
motores de menor consumo pero que igualmente cuenten con un torque considerable para desplazar
toda la estructura.
Algunos de los motores consultados van desde los 12V y 20W, sin embargo los torques son alrededor
de 0,6Nm,lo cual no sería muy favorable en condiciones extremas de inclinación, existen además
algunos motores que funcionan con 24V, consumo de potencia es del orden de los 30W,y el torque
puede alcanzar hasta los 30Nm. Teniendo en cuenta que la estructura va a desplazarse a muy bajas
rpm y que su peso va a incidir mucho en la selección de los motores, este valor de torque puede
aumentar.
La velocidad máxima que puede alcanzar un robot de inspección es sistemas sanitarios de PVC, según
la norma técnica de servicio NS-058 propuesta por la empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá
EAAB-ESP, es de 15cm/s o 0.15m/s.
Para la aplicación, los elementos encargados del desplazamiento, seran cuatro motores conectados a
dos orugas (dos motores por oruga) de 10cm de diámetro, con lo que una revolución del motor será
equivalente a:
Teniendo en cuenta que el motor sugerido, está en capacidad de producir 9rpm, obtenemos que la
velocidad máxima que puede alcanzar el robot es de:
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Valor que cumple con lo estipulado por la norma.
Las principales fuerzas a las que va a enfrentarse el robot, una vez haya vencido la inercia de los
motores, serán, el empuje del agua, la cual tendrá un nivel máximo del 10% con respecto al diámetro
de la tubería, esto según la norma técnica de servicio NS-058.
La universidad Militar Nueva Granada, encargada del diseño mecánico, proporcionó datos del torque
necesario proporcionando una tabla de los parámetros tenidos en cuenta y el valor del torque obtenido,
teniendo en cuenta el área mojada que se encuentra en contacto con las orugas del robot.
Sumando las fuerzas implicadas en el desplazamiento de la estructura y convirtiendo las unidades a
N*m se obtiene que:
Con lo que puede concluirse que en total, las orugas deben estar en capacidad de generar un torque de
15Nm cada una, es decir que el torque total que deben producir los motores es de 30Nm, según el
análisis del medio y el peso de la estructura del robot (120kg).
Características Modelo
801495
SNi10
801495
SNi10
801496
SNi10
Dimensiones (largo x
diámetro) (cm)
17.8 x 6.2 17.8 x 6.2 17.8 x 6.2
Alimentación(V) 24 24 24
Potencia(W) 45 45 40
Velocidad máxima a
24V(RPM)
7 12 9
Torque (reductor
incluido)(Nm)
30 23 23
Tipo de reductor Planetario
52mm
Planetario
52mm
Planetario
62mm
Precio (COP) 4´477.600 5´100.000 4´477.600
Tabla 1. Tabla comparativa de tecnología de construcción motores
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El número de modelo hace referencia al tipo de tecnología utilizada en la fabricación y a
características de consumo de potencia de los motores dentro de esa gama. Al realizar el pedido se
especifican las características de los motores ya que estos se fabrican sobre el pedido.
La razón de cotizar con CROUZET, es la facilidad de conseguir los equipos, debido a que tienen
distribuidores en Colombia, más específicamente en Bogotá, haciendo posible su adquisición sin
mayor demora, garantizándose la entrega de los dispositivos o equipos solicitados en menos de 50 días
y reduciendo además costos de envío, porque los equipos son traídos desde su casa matriz en Francia.
Como se ve en la tabla, CROUZET tiene una alta variedad de motores, pequeños en tamaño (como
puede verse en la Tabla 2) pero capaces de cumplir con las exigencias de torque, motores que
funcionan a 24 V y un consumo de 40W aproximadamente, además CROUZET también distribuye los
drivers para controlarlos, estos pueden suplir todas las necesidades de consumo.
El motor sugerido es el 801496 SNi10, capaz de movilizar hasta 23 Nm, haciendo un arreglo de
motores, puede llegar a cumplirse las especificaciones de velocidad de inspección.
La razón por la cual se sugieren estos motores es su reducción consumo (5W) y su alto torque con
respecto a otros motores como el 801495.
Los drivers sugeridos por Crouzet para controlar este tipo de motores son:
Características Modelo
BDE30 BDE40
Alimentación Max(V) 36 24
Entrega de corriente(A) 2.5 14
Temperatura de
operación(ºC)
-20, 90 -20, 60
Peso(g) 200 305
Tabla 4: Tabla comparativa de los drivers sugeridos para controlar los motores.
Teniendo en cuenta que el consumo por motor será de aproximadamente 2,4A en el arranque
(especificación dada por crouzet) para romper la inercia con el peso de la estructura de 120kg, se
sugiere utilizar como controlado el BDE40, con capacidad de controlar dos motores de forma
simultánea y capaz de entregar una corriente de 14A y se descarta el BDE30 teniendo en cuenta que
solo puede entregar 2,5A y solo puede controlar un motor, lo que se traduce en aumento de
componentes, lo que no es conveniente debido a las limitaciones de espacio (tuberías de 12” a30”).
8. CAPITULO 3 (CÁMARAS)
Se especifica para la selección de la cámara una resolución mínima 1080iHD, máxima 1080p full HD
(Sensor indiferente de selección, CCD ó CMOS).
Para la selección de la cámara es de suma importancia entender que tecnologías se usan en los
sensores para captar imágenes, y que los diferencia.
Tanto los sensores CCD como los CMOS están fabricados con materiales semiconductores de Metal-
Óxido (MOS) y están ubicados en forma de matriz. Acumulan una carga eléctrica en cada celda de la
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matriz, conocidas como pixeles, proporcional a la intensidad de la luz que incide sobre ella
localmente.
Aunque en su escencia los CCD y los CMOS funcionan de una manera muy similar, existen
diferencias entre las dos tecnologías, como las que se presentan a continuación.
En el caso de la tecnología CCD, ésta se encarga de convertir las cargas de las celdas o pixeles en una
señal analógica que posteriormente es digitalizada por la circuitería interna de la cámara. En los
sensores que utilizan esta tecnología, se realiza una lectura de la información de cada una de las celdas
y luego esta información es enviada a un convertidor analógico-digital (CAD), la estructura del sensor
es simple, su gran inconveniente es que se hace necesaria la implementación de circuitería adicional
para convertir las señales en datos, lo que se traduce en mayor consumo, equipos de mayor tamaño y
probabilidad de error [6].
Hablando de aspectos en los cuales los sensores con tecnología CCD superan a los sensores CMOS,
podemos decir que el sensor CCD cuenta con un mejor rango dinámico aproximadamente 2 veces
mejor que el CMOS según las pruebas RAW (Formato de imagen que no omite detalles de la captura),
que hace referencia al coeficiente de saturación de los pixeles y el umbral por debajo del cual ya no
puede captar señal, al ser menos sensibles, soportan mucho mejor los extremos de luz.
Figura 5 – Diagrama de bloques Funcionamiento Sensor CCD.Tomado de : http://www.xatakafoto.com/camaras/sensores-con-tecnologia-
ccd-vs-cmos
El sensor CCD es superior en cuanto a inmunidad al ruido ya que tiene una relación señal a ruido SNR
de 78dB contra 60dB de los CMOS (medida estándar). Como se ve en la figura 5,el procesamiento de
la información se hace en un circuito externo al sensor, el cual puede optimizarse para mejorar esta
característica. El sensor CMOS al realizar todo el tratamiento de la imagen dentro de sí mismo no
presenta los mismos resultados debido a que hay menos espacio para los foto-diodos encargados de
recoger la luz.
La respuesta uniforme se mide excitando todos los pixeles y mirando que cambios presenta la imagen,
si la imagen no tiene sectores de baja luminosidad, los colores no se saturan y los detalles de la imagen
no son borosos, se dice que el sensor tiene una respuesta uniforme. El que un sensor de tipo CMOS
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esté construido por pixeles individuales, lo hace más propenso a sufrir de baja respuesta uniforme,
aspecto que puede mejorarse utilizando circuitos adicionales con retroalimentación, sin embargo en
los sensores CCD, al estar conformados por una matriz uniforme de pixeles se obtiene una imagen
más precisa y menos saturada.
Desde hace unos años se ha vuelto a trabajar en la tecnología CMOS haciendo que las desventajas en
cuanto a calidad de imagen sean prácticamente nulas con respectoa la tecnología CCD, impulsando el
desarrollo de la tecnología CMOS, obteniendo desempeños no muy diferentes a los de un sensor CCD,
con menores costos y posibilidad de mayor autonomía de la batería de las cámaras que lo poseen.
En cuanto a la velocidad, el CMOS es superior al CCD, como consecuencia de lo que ya se ha venido
mencionando, el procesamiento se hace dentro del propio sensor, lo que permite velocidades de
grabación mayores de alrededor de los 1000 fps (fotogramas por segundo) [11].
Figura 6 - Procesamiento Imagen sensor CMOS. Tomado de : http://www.xatakafoto.com/camaras/sensores-con-tecnologia-ccd-vs-cmos
A continuación, algunas imágenes comparativas entre cámaras que utilizan las dos tecnologías, son
capturas tomadas de un video de dos cámaras del mismo fabricante pero distintos sensores.
Figura 7– Diferenciación de velocidad de captura entre sensor CCD y CMOS. Tomado de :
http://www.youtube.com/watch?v=4lHlzRw_Oek&feature=bf_next&list=PLA05BC9AD164AF5AB
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Se aprecia en la figura 7 como ante una excitación de flash, el sensor CMOS responde mas rápido que
el sensor CCD detectando la luz del flash.
En cuanto a la resolución se trabajará con cámaras 1080p HD de por lo menos 1 Megapixel de
resolución, es decir, 1280 x 720 pixeles.
En la actualidad existe una tecnología implementada sobre los sensores de tipo CMOS, llamada
Exmor R desarrollada por SONY, la cual consiste en invertir la ubicación del circuito receptor de luz,
haciendo que la luz llegue directamente a él sin ninguna clase de bloqueo, lo que reduce la necesidad
de iluminación adicional para la identificacion de imágenes con baja iluminacion [7] [11].
Figura 8 – Principio de funcionamiento Sensor CMOS Exmor R. Tomado de :http://www.sony.co.uk/hub/twilight-football/5
Las cámaras SONY que se ofrecen en el mercado, vienen en su mayoría con esta tecnología
implementada.
Como puede apreciarse en la figura 8, el sustrato está por encima del cableado, lo que permite captar
más luz, y lo hace más sensible a la misma.
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Figura 9 – Foto comparativa de un sensor CMOS Exmor con un Sensor convencional. Tomado de: http://www.xatakafoto.com/actualidad/el-
sensor-cmos-exmor-r-de-sony-caracteristicas
En conclusión con respecto a las cámaras, se sugiere utilizar tecnología CMOS Exmor R 1/2.8”, para
garantizar una visión adecuada es decir, mejor distinción de colores y detalles, para definir la imagen
en el campo a trabajar, si el sensor es más pequeño de lo mencionado anteriormente tendrá menos
resolución debido a que el área del mismo se hace más pequeña.
8.1 ELECCIÓN.
A la hora de elegir la cámara, se tuvieron en cuenta muchos factores, entre esos, la resolución 1080p
Full HD, recubrimiento IP68 preferiblemente (el cliente considera que no es vital contar con este
recubrimiento y puede hacerse posteriormente), formato de compresión de imágenes (Preferiblemente
H.264), por cuestiones de reducción de ancho de banda, funcionalidad del PTZ (que cumpliera con un
excelente rango de visión ya que es de suma importancia en la inspección), tamaño y finalmente que el
precio fuera acorde con su funcionalidad y el presupuesto estipulado.
A continuación se presenta una tabla comparativa de todos los modelos considerados.
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CARACTERÍSTICAS
MODELOS
(SONY)
SNC-DH 280 SNC-DH 260 SNC-DH
210T
SNC-DH
220T
SNC-ER 580
Formato de
Compresión
MPEG-
4/JPEG/H264
MPEG-
4/JPEG/H264
MPEG-
4/JPEG/H264
MPEG-
4/JPEG/H264
MPEG-
4/JPEG/H264
Formato de imagen en
Display
1080p Full
HD
1080p Full
HD
1080p Full
HD
1080p Full
HD
1080p Full
HD
Protección Outdoor IP66/ IK10 IP66/ IK10 IK10 IK10 NO
Sensor De Imagen CMOS
Exmor R
CMOS
Exmor R
CMOS
Exmor R
CMOS
Exmor R
CMOS
Exmor R
Iluminación mínima
(LUX)
Color 0.4 Lux
/
BN 0Lux
Color 0.7Lux
/
BN 0Lux
Color 2.3
Lux
Color 0.7Lux
/
BN 0.45Lux
Color 1.7Lux
/
BN 0.07Lux
Pan Angle/ Tilt Angle
(°)
PTZ Estático
Horizontal
88.5° a 32.3°
PTZ Estático
Horizontal
88.5° a 32.3
PTZ Estático
Horizontal
88°
PTZ Estático
Horizontal
88.5° a 32.3
Pan Angle
360° Tilt
Angle(-105°
a 105°) total
210°
Peso (Kg) 1.4 1.3 0.150 0.715 1.7
Consumo (W) 29 12.9 2.4 6 25
Alimentación (V) 12V DC
PoE (Class 0)
PoE (Class 0) PoE (Class 1) PoE (Class 2) AC 24
HPoE(Class
4)
Dimensiones
(Diámetro, Alto)
(166mm X
119 mm)
(166mm X
119 mm)
(106mm X
56.5 mm)
(140mm X
119 mm)
(147.4mm X
190.9 mm)
Precio (Pesos COP) $3.937.709,55 $2.562.810,96 $2012851,53 $1.371.232,19 $7.624.270,96
Tabla 2. Tabla comparativa entre todas las cámaras consultadas
Se sugieren las cámaras SONY, ya que comparando con sus competidores, cuentan con un desarrollo
en cuanto tecnología de radiación de luz, que se acondiciona mejor a las características de la
aplicación, son las únicas que tienen el sensor CMOS Exmor R para mayor eficiencia, y presentan una
relación costo beneficio excelente como se observa en la tabla 3. La cámara sugerida es la SONY
IPELA SNC-ER580, aún cuando su precio es elevado, su desempeño es adecuado para cumplir con las
características definidas. Después de un exhaustivo análisis de las características de cada una de las
cámaras, se pudo concluir que la SNC-ER580 es la mejor, ya que posee un Pan Angle de 360° y un
Tilt Angle de 210° distribuidos (-105°a 105°) apropiados para las inspecciones que se van a hacer y
realmente lo que necesita la empresa H&U, las demás cámaras como la SNC-DH280 que tienen una
20
calidad óptima de imagen, excelente recubrimiento, iluminación infrarroja y peso apropiado, tienen un
PTZ diferente, llamado PTZ estático, que las limita en campo de visión, y aunque el funcionamiento
de sus micro lentes es una tecnología bastante avanzada, no alcanzan los requerimientos mínimos de
pan Angle y Tilt Angle requeridos por el cliente. Por otro lado la cámara SNC-ER580 no posee la
protección IP68/IK10 (Protección a inmersión total de agua y golpes de 20Julios), por lo que se
recomienda hacer un recubrimiento certificado IP68 para evitar problemas en su funcionamiento a la
hora de la inspección.
La SONY IPELA SNC-ER580 posee tres formatos de compresión de imagen, entre esos el formato
H.264, que es superior al JPEG y MPEG-4 porque reduce considerablemente el ancho de banda y
además tiene menor SNR (Señal a ruido) y mayor calidad de imagen, como se puede observar en la
figura 10.
Figura 10. Comparación de formatos de compresión de imagen. Tomado de Catalogo de productos de videovigilancia de SONY.
Necesita menos bits para transmitir la misma imagen y ala misma velocidad que los demás formatos.
Por último, es importante destacar la alimentación de este tipo de cámaras, debido a que en el mercado
muy pocas poseen alimentación POE (Power Over Ethernet), esta tecnología permite utilizar el cable
de conexión En este caso Ethernet, y alimentar la cámara sin necesidad de cables externos, en la SNC-
ER580 se hace por medio de HPOE (Clase 4), lo que quiere decir que maneja una potencia mínima de
17W y una máxima de 100W.
8.2 CÁMARA DE APOYO
Analizando los ángulos de operación de la cámara principal, se observó que en la parte trasera del
robot se tenían puntos ciegos los cuales no son detectados por la cámara principal. Así que se sugiere
poner una segunda cámara que si los vea yademás de eso que sirva como apoyo a la hora de sortear
obstáculos y dar reversa en caso de ser necesario.
Para la selección de la cámara de apoyo, los criterios fueron bastante simples, ya que las exigencias
de operación no son muy radicales, es decir, la cámara no debe tener desplazamiento PTZ ya que va a
utilizarse solo en caso de tener que dar reversa y cubrir puntos ciegos visualizando cualquier obstáculo
21
que pueda presentarse para que el operario tome acciones al respecto, las exigencias en cuanto a
definición de la imagen, tampoco resultan ser muy altas, ya que no necesita determinarse que objeto
obstruye el paso, con saber que hay uno es suficiente, entonces puede hablarse de una cámara con
resolución VGA, sin embargo, todos los factores no resultan tan triviales, por ejemplo, la alimentación
sigue siendo un factor definitivo para la selección, así como el consumo de potencia total ya que desde
que se inició la selección de equipos, siempre se ha optado por soluciones que no tengan altos valores
de consumo, pensando siempre en la autonomía de la batería debido a que las especificaciones indican
que debe ser de 2 horas. Al igual que la otra cámara esta también deberá contar con un sistema de
infrarrojo para poder crear una imagen a 0 LUX, sin importar si la imagen presentada es a color o en
blanco y negro, la protección también resulta ser un factor determinante a la hora de la selección,
porque esta cámara probablemente va entrar en algún momento en contacto con el agua, asi que se
hace necesaria la certificación IP68 que indica que está protegida contra cualquier tipo de polvo,
incluso el polvo más fino no entrara al dispositivo y que además cuenta con una protección para
inmersión en agua, a más de 1 metro de profundidad, garantizando que el agua no va a entrar al
dispositivo.
Para esta aplicación se utilizará la cámara sony superHAD, utilizada para vigilancia, dotada con un
arreglo de LED´s infrarrojos y con la protección IP68, cuya alimentación es de 12 Vdc y 315mA, con
capacidad para distinguir un objeto a 0 LUX a 20 metros de distancia, para la aplicación resulta ser
suficiente, reuniendo los requisitos de funcionamiento y su forma de conexión es a través de un puerto
RGB.
9. CAPITULO 4. ILUMINACIÓN
La iluminación también es clave a la hora de hacer la inspección, se tomó como referencia la
distribución de iluminación de el VERSATRAX 300 VLR, para sugerir la ubicación de la iluminación
como se observa en la Figura 11.
Figura 11 - Robot Versatrax VLR300. Tomado de:http://www.inuktun.com/crawler-vehicles/versatrax-300.html
Al tener una disposición circular hacia la cámara, permite una mejor iluminación periférica (figura
12), y un excelente enfoque central sin saturar la cámara por una iluminación excesiva a la hora de
hacer las exploraciones. Si se tuviera una disposición de iluminación más cerca de la cámara, habría
deslumbramiento y se perdería la definición de la imagen.
22
Figura 12 – Visión de la cámara dentro del tubo. Tomado de: http://www.elartedelamemoria.org/faq/que-es-la-vision-periferica/
Para la iluminación de la cámara se usará tecnología LED (Light Emitting Diode), debido a su bajo
consumo y excelente intensidad lumínica.
Según la norma técnica de inspección NS-058 “El equipo de iluminación debe garantizar que todos los
materiales de lastuberías tengan una iluminación uniforme del campo visual y no debe originar
reflejos en el objeto de toma”. Con base en esto se hace un análisis detallado de la intensidad lumínica
de los arreglos de LED elegidos para tener la iluminación más eficiente posible.
Mirando las especificaciones de una lámpara LED circular de haz blanco convencional se tiene:
ESPECIFICACIONES MODELO
BLISTER
ACLL06W
Voltaje de Alimentación (V) 12
Consumo (W) 960mW
Corriente de consumo (mA) 80mA – 120mA
Rendimiento Luminosos (mCd) 56000
Ángulo de visión (°) 40
Número de LEDS 12
Dimensiones (Diámetro X largo) 26 X 43mm
Precio (Pesos COP) $14.592,41
Tabla 3. Tabla de especificaciones de lámpara de iluminación
Observando en detalle, esta lámpara en particular cumple en dimensiones con lo que se necesita, no es
muy invasiva y tiene un consumo Aproximado de 1W), el voltaje de alimentación es fácilmente
lograble porque la batería que se sugiere es de 24V, el doble de lo que requiere la lámpara, así que
alimentarla no será un problema.
El precio es de $14.592,42 (Pesos COP)como se observa en la tabla 4, lo cuál es positivo si se tiene
en cuenta los precios de los demás dispositivos y el presupuesto estipulado, el número de LEDS es de
12 , más que suficiente para iluminar espacios reducidos.
23
La parte que interesa es la de intensidad lumínica. Esta lámpara tiene un rendimiento luminoso de
56000mCd donde la unidad de mCd (mili Candelas), indica flujo de luz por unidad de ángulo sólido,
para esta linterna ese ángulo es de 40°. Esta intensidad luminosa depende de la luz, distancia y
dirección del rayo, para ver que tan efectiva es se deben ver las curvas fotométricas.
Figura 13. Ejemplo de Curva fotométrica bombillo convencional para un flujo luminoso de 1000 luménes. Tomado de: .
http://www.netcom.es/pepeocu/alumbrado/alumbrado3.htm
En una curva fotométrica (Figura 13) se puede analizar como es la distribución luminosa de una fuente
de luz (Lámpara, bombillo, LED,etc).
Como la unidad de candelas puede expresarse en Lumen y a su vez estos en Lux, se puede tener un
cálculo estimado de que tan luminosa es la linterna, si se toma como base la siguiente tabla (Figura
14).
Figura 14. Tabla referencia de iluminancia.Tomada de (apuntes del ingeniero jose Fernando Cardona G.)
Haciendo el cálculo de los Lux de la linterna se tiene 1 Lx= 1 Lm/ , y 1Lm=Cd/sr, con sr
(stereoradian), finalmente con 5.6 Cd a 40° (Ángulo sólido) se tiene una iluminación de 21.2 Lumen,
si suponemos un área de iluminación dentro de la tubería hasta de 1 , da un máximo de 21.2Lux,
este valor es aertado ya que la cámara sugerida con el sensor CMOS Exmor R funciona a 1.7Lux.
24
10. CAPITULO 5. SENSORES
10.1 SENSOR DE HUMEDAD Y TEMPERATURA
Las especificaciones dadas por la empresa H&U en cuanto a estos sensores son: Un rango de medición
de 0 al 100% RH (Humedad relativa), y temperatura desde -4ºC a 80ºC.
A continuación se presenta una tabla comparativa entre todos los modelos consultados, hay que aclarar
que todos son de la misma empresa,MEASUREMENT SPECIALITIES, fabricante alemán que se
desempeña en este campo.
HUMEDAD
Tabla 4. Tabla comparativa de sensores de humedad
El sensor de temperatura es el mismo de humedad, es decir, en un solo dispositivo se hacen las dos
mediciones, para ahorrar espacio, energía y el uso de otro sensor, en el mercado existen varios
modelos que lo hacen, como se aprecia en la tabla 5
CARACTERÍSTICAS MODELOS
M.I
HTF3226LF
M.I
HTF3000LF
M.I
HTG3500
PAPOUCH
TH2E
Temperatura de
operación (ºC)
-30, 85 -40, 85 -40, 110 -55, 125
Capacidad de medición
(%RH)
0 a 99 0 a 100 0 a 100 0 a 100
Voltaje de alimentación
Max(V)
7 16 20 5 - 30
Consumo de corriente
Max(mA)
0.1 1 1 150
Dimensiones(
mm)
Largo 28 14 27.5 40
Ancho 14.5 19.9 12 16
Error Max(%RH) ±6 ±3 ±5 ±3
Conexión (Cable) Mini JST Puerto serial Puerto serial RJ45
Precio (pesos COP) $40.000 $40.000 $40.000 $914.172,71
25
La capacidad de medición en cuanto a humedad es de 0 al 100% tal como se había especificado con un
error menor al 10% en todos los modelos.
TEMPERATURA
CARACTERÍSTICAS MODELOS
M.I
HTF3000LF
M.I
HTF3226LF
M.I
HTG3500
PAPOUCH
TH2E
Temperatura de operación
(ºC)
-40, 85 -30, 85 -40, 110 -20, 70
Capacidad de medición
(ºC)
-40, 85 -30, 80 -40, 85 -55, 125
Voltaje de alimentación
max(V)
16 7 20 5-30
Consumo de corriente
max(mA)
1 0.1 1 70
Precio (pesos) $40.000 $40.000 $40.000 $914.172,71
Tabla 5. Tabla Comparativa de Sensores de temperatura
Todos los sensores toman como referencia la caída de tensión sobre un termistor, cuyo valor resistivo
está directamente relacionado con un valor de temperatura, y así hacen la medición de temperatura.
Por otro lado haciendo una comparación exhaustiva de todos los sensores, se sugiere el sensor TH2E,
por muchas razones, una de ellas es que presenta una interconexión excelente con puertos conocidos
como el RS485, Ethernet, RS232, USB, y conversor de protocolos.
El consumo en todos los modelos no es superior a los 2W, bajo si se piensa en la autonomía de la
batería, sin embargo otro factor definitivo que llevó a tomar la elección por el TH2E es su
recubrimiento certificado IP68, esto evita sobrecostos a la hora de montar el sensor, porque ya tiene el
recubrimiento, y no se tiene que pensar en él como parte fundamental. Finalmente se compararon los
puertos de conexión de todos los sensores, y se encontró que el único sensor que tiene puertos
conocidos es el TH2E. Los demás tienen salidas digitales seriales sin cables especiales o mini JST
pero sin protocolos de conexión establecidos, en cambio el TH2E tiene muchas facilidades de
conexión y un software para poder conectar de manera inalámbrica.
En cuanto a precio el TH2E es el más costoso en comparación de los demás, pero es el sugerido por
cumplir de la mejor manera las especificaciones dadas por el cliente, y por tener rangos de medida
acordes a las especificacioes dadas.
10.2 CAPITULO 6. SENSOR DE PRESIÓN
Características
(Ta:25ºC)
Modelo
MS5535-30C MS5536-60C MS5541-30C MS5803-30BA
26
Temperatura de
operación (ºC)
-40, 125 -40, 125 -40, 85 -40,85
Voltaje de alimentación
Max(V)
6 6 6 De 1.8 a 3.6
Soporte de sobre
presión(bar)
50 5 (diferencial) 50 30
Capacidad de
medición(bar)
0, 30 0, 0.06 0, 30 0,30
Resolución(mbar) 3 0.05 3 0.5
ADC integrado Si si si si
Precio (pesos COP) $ 82.493,92 $ 93.493,1 $ 56.972,62 $ 71.494,73
Tabla 6. Tabla comparativa de los sensores de presión
En primera instancia, es descartado el sensor de presiónMS5536-60C, la razón es su limitación en la
presión, tiene un rango de entre 0 y0.06 bar, bastante bajo para lo que se espera medir (1bar
aproximadamente), ya que los equipos a los que se les va a hacer este monitoreo, van a ir presurizados
con presiones obviamente mayores a 60mBar, que es su tope máximo de medición.
En cuanto a los dos dispositivos siguientes, todos utilizan el mismo método para el cálculo de la
presión bajo la que se encuentran y entregan una señal digital de 15 Bits informando la presión que
esta sensando el dispositivo, el MS5535-30C y el MS5541-30C, tienen una diferencia de precios no
muy alta, puede apreciarse en las tablas de operación bajo condiciones más exigentes entendiendo
como condiciones exigentes (altas temperaturas, humedad mayor al 50% y variaciones rápidas de
presión absoluta). La diferencia de desempeño no es muy grande como se ve en las figuras 15 y 16.
27
Figura 15. Error de medida de presión a diferentes temperaturas del sensor MS5541-30C. Tomado de:http://www.meas-
spec.com/product/t_product.aspx?id=6731
Figura 16. Error de medida de presión a diferentes temperaturas del sensor MS5535-30C.Tomado de: http://www.meas-
spec.com/product/t_product.aspx?id=6727
Al análizar el comportamiento de ambos, solo se notan diferencias considerables en temperaturas a las
cuales no seestima que vaya a trabajar como son 125°, 85° y -40°, en las demás son muy parecidos.
Si se observa bien, a -40ºC y con mayor presión, el error disminuye linealmente en el sensor MS5535-
30C, y el patrón se mantiene para los demás rangos de medición, que a diferencia del MS5541-30C
son más variables.
Ambos sensores presentan error de medición en las mismas regiones, como ese error está representado
en mbar, se concluye que no es muy importante a la hora de medir, ya que el tope máximo será 1bar,
sin embargo el MS5541-30C presenta menos error en regiones de interés como la de 25ºC.
El sensor sugerido para el sensado de la presión en la cámara y en los motores, es el MS5541-30C,
posee 3 salidas seriales, las dimensiones son : ancho y alto (6.2 X 6.4 X 2.88mm), no es muy invasivo
en cuanto a espacio yposee un ADC interno que permite tener una salida digital de 24Bits, además
tiene un recubrimiento O-ring que lo protege de corrosión, humedad alta y entrada de líquidos. Si bien
las diferencias con el MS5535-30C, se elige el MS5541-30C por tener un precio más bajo y
dimensiones un poco más pequeñas.
10.3 CAPITULO 7. SENSOR DE INCLINACIÓN
Elinclinómetro es otra parte fundamental de la inspección, indica el ángulo de inclinación y permite
saber con mayor exacitud la posición real del robot, porque tiene una resolución de 0.001º, es por eso
que se consultaron varios tipos de inclinómetros Biaxiales, para estabilizar el robot tanto vertical como
horizontalmente. Se tuvieron en cuenta para esto dos fabricantes serios en el mercado y con una
amplia trayectoria en el área de instrumentación, para garantizar la calidad y la confibilidad de los
equipos, estos fabricantes fueron MEASUREMENT SPECIALITIES y TURCK.
28
Características Modelos
TURCK
B2N10H-
Q20L60-2LU3-
H1151
TRUCK
B2N45H-
Q20L60-2LU3-
H1151/S97
MEASUREMENT
SPECIALITIES
DPG - SERIES
MEASUREMENT
SPECIALITIES
D - SERIES
Consumo de
corriente max(mA)
20 20 20 30
Alimentación de
voltaje(VDC)
10 a 30 10 a 30 7 a 30 10 a 30
Clase de Protección IP68 IP68 IP68 IP67
Temperatura de
operación (ºC)
-40 a 70 -40 a 70 -40 a 85 -40 a 85
Dimensiones(largo
x Ancho x Alto)
(60mm x 30mm
x 20 mm)
(60mm x 30mm x
20 mm)
(84mm x 70mm x
31 mm)
(84mm x 70mm x
46mm)
Resolución (º) 0.04 0.1 0.001 0.001
Puerto de conexión M12
(Analógico)
M12 (Analógico) RS - 232 M12/RS232
(Can Open )
Precio (Pesos COP) $ 499.169,54 $751.770,79 $1.078.502,00 $ 2.086.499,33
Tabla 7. Tabla comparativa de Inclinómetros
Analizando la tabla 8, se pudo notar que los inclinómetros consultados difieren en muy pocas cosas, y
que en realidad todas se acomodan a las especificaciones dadas, sin embargo las opciones presentadas
por TRUCK no tienen la resolución requerida y aunque tienen la protección IP68 y un precio
razonable, poseen una salida analógica, lo cual los pone en desventaja con las opciones ofrecidas por
MEASUREMENT, finalmente se optó por sugerir el inclinómetro DPG-SERIES de
MEASUREMENT, debido a sus dimensiones (84mm x 70mm x 31 mm), puerto de conexión RS-232
el cual tiene una tasa máxima de envío de 9.6KB, y su rango máximo de medida de 30º, y tiene la
protección IP68. Se hubiera podido optar por el inclinómetro D-SERIES, pero este tan solo posee
protección IP67 y consume un poco más de corriente que los demás sensores (30mA), aunque también
tiene puerto de conexión RS232 y la interfaz Can Open, en precio es más que justo$
2.086.499,33(COP), ya que se está hablando de un dispositivo de alta resolución alto rango de
medición (Hasta 30º) que cumple con todas las especificaciones dadas por la empresa.
10.4 CAPITULO 8. DISTANCIA LINEAL
Para la medición de la distancia lineal del equipo, se pensó utilizar tecnología laser y tecnología de
medición por longitud de arco.
A continuación se mencionan las características de los equipos tenidos en cuenta:
29
Características Modelo
BOSCH
GLM 150
Professional
SICK
DME4000113
SICK
DME3000
AUTONICS
Incremental E30S4
Tipo de medición Láser Láser Láser Encoder
Incremental
Protección Outdoor IP54 IP65 IP65 IP50
Voltaje de
alimentación max(V)
6V
(Alimentación
externa)
18 - 30 18 - 30 12 - 24
Capacidad de
medición(m)
0.05 ,150 0.15 , 220 0.1, 500 N.A
Consumo de
corriente Max(mA)
0.1 250 100 60
Resolución(mm) 1 0.05 - 5 0.125 Mínima 100 P/R
(Depende de la
aplicación)
Precio (pesos) $ 665.957,58 $6.603.411,12 $7.387.046,17 $196.755,22
Tabla 8. Tabla comparativa de sensores de distancia lineal
Luego de revisar las especificaciones, se decide utilizar tecnología de medición por laser, ya que los
sensores que miden por longitud del arco de giro, en caso de producirse un deslizamiento del
robot,seguiría sumando distancia, lo que generaría altas probabilidades de que la medición no sea la
correcta en la mayoría de las pruebas, aparte de eso la precisión no es tan notable como la de los
medidores láser, es por eso que tan solo se consultó un solo dispositivo que mide por longitud de arco.
Finalmente se opta por sugerir el sensor láser GLM 150 especificado en la tabla 9, debido a su
resolución de 1mm, que como se había mencionado anteriormente está por encima de lo especificado,
no necesita estar en el robot para hacer la medición y además su rango de medida es mucho mayor a lo
que realmente se manejará, el alcance se deja más extenso, ya que se puede presentar el caso de un
pozo más largo, y si se deja muy ajustada la medida máxima podría haber problemas para saber la
ubicación exacta del Robot.
El precio es bajo si se analiza en detalle su funcionalidad y se compara con los demás dispositivos
propuestos, las baterías que usa son externas(1,5-V-LR03 (AAA)), que dan como resultado 5 horas de
autonomía aproximadamente, perfecto para el tiempo de inspección que se tiene estipulado (2 Horas).
11. CAPITULO 6. COMPUTADORES
El sistema de procesamiento, será el encargado de hacer la interacción entre el operario y el robot,
controlando todas las señales y su envío a la estación central, así como también debe recibir
instrucciones de la misma y hacer que el dispositivo requerido las ejecute de forma correcta.
30
Características Modelo
NIsbRIO09606 NIsbRIO09605 RaspBerry pi
(B)
NI Single-
Board RIO
Puertos de
conexión
Ethernet, serial
rs232,CAN, USB
Ethernet, serial
rs232
USB, Ethernet,
HDMI, RCA,
Ethernet ,
serial RS232
Temperatura de
operación(ºC)
-40, 70 -40, 70 -45, 75 -40, 85
Dimensiones
(Largo x Ancho)
(10.3 x 9.65 mm) (10.3 x 9.65 mm) (85x56mm)
Alimentación
Max(V)
19-36 19-30 5 19-30
Procesador (MHz) 400 400 500 400
Memoria RAM
(Mb)
512 512 512 256
Sistemas
operativos
LABview LABview Windows,
Linux(Debian),
android
LABview
Precio (Pesos
COP)
$1.540.320 $1.540.320 $ 64.484 $ 1.110.000
Tabla 9. Tabla comparativa de modelos de computador central
La principal necesidad es poder transportar datos de la forma más ágil posible, estando en capacidad
de manejar datos seriales proporcionados por los sensores, palabras cuya extensión máxima será de
16bits, se sugiere utilizar un procesador capaz de manejar diferentes sistemas operativos para tener
una más amplia gama de lenguajes para programarlo y poder adicionar aplicaciones compatibles.
El sistema operativo sugerido es Linux, seleccionado por costos, ya que LABview, a pesar de ser un
sistema operativo diseñado para aplicaciones de control es mas costoso, con Linux puede garantizarse
un flujo de datos adecuado sin que el computador se bloquee, teniendo un control en tiempo real sin
complicaciones.
El tamaño del dispositivo también es un factor importante a tener en cuenta, ya que las condiciones de
espacio están muy limitadas, por lo que se hace necesario implementar una tarjeta de dimensiones
reducidas que pueda controlar la información mencionada anteriormente.
El objetivo es utilizar un sistema operativo robusto, que pueda trabajar bajo condiciones exigentes de
procesamiento presentando un numero de fallos casi nulo, que pueda correr diferentes aplicaciones al
tiempo, sin afectar su correcto funcionamiento y que además este en capacidad de controlar y
programar el envío de la información al computador de visualización.
6. CAPITULO 1. BATERÍAS
En cuanto a la alimentación, los robots existentes en el mercado tienen un cable principal conectado al
robot, de donde sale la alimentación y se transmiten los datos, es por eso que no usan fuentes de
energía externas al mismo. El proyecto que se quiere llevar a cabo como será inalámbrico, si necesita
31
una fuente de alimentación externa (Baterías) con excelente autonomía y buena capacidad de recarga,
para esto se usarán baterías de alta tecnología de construcción y entrega de corriente, como son las
baterías de LiFePO4, que en comparación con las de Li-ion (ion de litio) y LiPo (Polimero de litio),
son más seguras porque no explotan en condiciones extermas de exigencia como cargas y descargas
que requieren de mucha corriente, tienen mayor capacidad de almacenamiento, mejor rendimiento y
mayor vida útil.
Las baterías LiFePo4 son las más ecológicas ya que estas al ser exigidas al máximo no explotan ni
generan daños ambientales con la fuga de sustancias tóxicas, no necesitan cargadores especiales, ya
que soportan sobrecargas, evitando los circuitos adicionales de protección, como los que incluyen las
baterías de Li-ion y LiPo. Otro punto a favor de las baterías LiFePo4 es que pueden ser descargadas en
su totalidad sin problemas, contrario a lo que pasa con las Li-ion y las LiPo que no permiten descargas
menores a 3V porque esto disminuye su vida útil y hacer que funcionen de nuevo despues de esta
fuerte decarga es difícil, las desgasta y las pone en peligro de explosión.
Su vida útil es excelente y apropiada para la aplicación que se necesita, 2000 ciclos, que teniendo los
cuidados necesarios da un total aproximado de 2 años de uso cntinuo.
6.1 CONSTANTE DE CARGA/DESCARGA C
C es una constante creada por los fabricantes que depende los mAh especificados en la batería y que
se usa para poder señalar más fácilmente a cuantos amperios se debe cargar o descargar la batería sin
que ésta sufra daños. Se calcula como sigue:
C= constante de carga o descarga X= numero de mAh de la batería
Por ejemplo una LiPo de 3000 mAh C = 3000/1000 = 3mAh
Luego el fabricante suele colocar NO cargue la batería a más de 1C, entonces 1*3= 3mAh
También señala NO descargue la batería a mas de 7C, entonces 7*C = 7*3 = 21A.
También hay una convención que dice cuántas baterías están en serie y cuántas en paralelo, y se puede
notar cuando leemos las especificaciones así: XSYP donde X es el número de baterías en seria y Y el
número de baterías en paralelo, ejemplo: 2S4P (2 en serie 4 en paralelo).
En las baterías existe un efecto conocido como “efecto de memoria” consistente en un proceso de
cristalización que concluye con la reducción de la capacidad de carga de la batería, principalmente se
da en baterías de NiCd (Níquel Cadmio) y NiMH (Níquel e hidruro metálico) como se ve en la
Figura 4 [5].
32
Figura 17 – Ilustración del efecto memoria. Tomado de http://www.inuktun.com/crawler-vehicles/versatrax-300.html
Por ello debe encontrarse una batería que no sufra estos efectos, además de contar con una alta
eficiencia ya que se requerirán grandes cantidades de corriente (20Ah) en determinados momentos.
Las baterías de Lithium Iron Phosphate (Litio y fosfato de hierro LiFePO4) son baterías de larga
duración que al estar compuestas en parte por litio se reduce considerablemente el efecto de memoria
y mejor tiempo de recarga.
Como el mayor consumo del sistema está dado por los motores, a partir de aquí se seleccionaron las
características de la batería. La batería será de mínimo 24V y debe suplir 10Ah aproximadamente, sus
dimensiones deben ser limitadas no puede medir mas de 30.48cm en más de una de sus dimensiones
debido a que debe poder entrar sin problema en tuberías de 12” (30.48 cm), partiendo de esto se
consiguen baterías de 24V 10Ah y cuyas medidas no superan los 30 cm, además este tipo de
tecnología permite hacer arreglos entre ellas para lograr un mejor desempeño, es decir, se pueden
conectar en serie (Para más voltaje), o en paralelo (Para más corriente).
En definitiva la tecnología que se va a usar en cuanto a baterías será LiFePo4, así que se presenta una
tabla comparativa de todos los modelos consultados.
CARACTERISTICAS MODELOS
VICTORIZ
100436
ZIPPY
FLIGHTMAX
ZIPPY
TURNIGY
VICTORIZ
100434
Voltaje Nominal (V) 24 13.2 19.8 36
Corriente de Entrega
(mAh)
10000 8400 4500 10000
Constante de
Carga/Descarga C
10 8.4 4.5 10
Corriente de carga
Máxima (A)
20 16.8 22.5 10
Corriente de descarga
Máxima (XC)
2C 30C 30C 2C
Dimensiones (Lago X 190.05 X 95.3 X 150 X 70 X 141 X 75 X 273.1 X 108
33
Ancho X Alto) 76.2mm 52mm 43mm X 69.9mm
Número de baterías 7P8S 4S2P 6S2P 12S8P
Peso (Kg) 2.45 1.026 0.899 3.18
Precio (Pesos COP) $ 458,776,5 $ 139.364,88 $130.778,94 $ 641.181,62
Tabla 10. Tabla comparativa de tipos de baterías
Analizando las baterías consideradas en la tabla anterior, y haciendo una comparación de todos los
modelos, se sugiere utilizar la VICTORIZ 100436, ya que es la que mejor cumple las especificaciones
dadas y la demanda máxima de corriente que va a tener el sistema, entrega 240Wh como máximo, se
sugiere usar 2 baterías de este tipo para cubrir más demanda, ya que se estima que el consumo del
sistema completo sea de 300W, en cuanto a la autonomía, esta depende de el uso, es decir, de las
condiciones de inspección y obstáculos a vencer.
Además de que las dimensiones son las estipuladas (No se pasa de lo especificado), esta batería tiene
un cable de 6" 14 AWG(Red, Black) TAMIYA Conector para descarga; y un 6" 16 AWG(Black) DC
conector para carga, excelentes para garantizar conexiones seguras y fáciles.
Finalmente si se requiere más potencia con el mismo Voltaje, se sugiere conectar en paralelo para
entregar más corriente, y si se necesita más voltaje para polarizar motores y drivers, se sugiere
conectar en serie.
12. DIAGRAMA DE BLOQUES ESPECIFICO
En el diagrama de bloques se presenta la arquitectura y la instrumentación sugerida con referencias
especificas, protocolos correspondientes y puertos de conexión, el controlador de los motores solo
recibe ordenes del computador, y el router junto con la cámara tiene una conexión full dúplex en
donde reciben y envían datos al computador. La cámara se maneja de manera externa, porque se usará
un canal dedicado para la transmisión de video, así como la cámara auxiliar propuesta, El sistema de
comunicación se hace mediante un router y antenas que van en los pozos y en el robot, como la
mayoría de conexiones son vía Ethernet, se sugiere hacer una LAN interna para mayor eficiencia en la
comunicación entre instrumentación y computador central.
34
TABLA DE EQUIPOS SUGERIDOS
35
Tabla 11: Tabla de equipos sugeridos y costos estimados FOB (Free On Board)
14. CONCLUSIONES
Equipo
Marca Modelo Características de selección CANT.
UNID
Precio
(Original)
Cámara
principal
Sony SNC-
ER580
1080p fullHD, motores PTZ,
sensor CMOS ExmorR, alta
calidad de imagen, capaz de
definir objetos a color con
0.17LUX de iluminación
1 $4159
USD
Cámara de
apoyo
Sony Super
HAD
Capaz de detectar objetos a
0LUX, económica, protección
IP68, protección
antivandalismo IK10, bajo
consumo.
1
$129
USD
S. temperatura
y humedad
papouch TH2E Precisión, bajo consumo, mejor
rango de medición respecto a
los otros sensores consultados.
1 $498,72
USD
S. presión Measurement
specialities
MS5541-
30C
ADC interno de 16 bit, bajo
consumo,dimensiones
reducidas, protección O-ring.
2 $30.78
USD
S. inclinación Measurement
specialities
DPG-
series
Resolución especificada,
Dimensiones, recubrimiento
IP68.
1 $579,64
USD
Distancia lineal BOSCH GLM150
pro
Costo, precisión, resolución,
facilidad de montaje.
1 $404,17
USD
computador Raspberry Raspberry
PI (B)
Compatibilidad con Linux,
procesador dual core, tamaño
reducido, bajo consumo, costo
1 $34.79
USD
Motores CROUZET 801496
SNI10
Disponibilidad de proveedores
en Bogotá, entrega rápida,
servicio técnico, tamaño
reducido, trabajo suficiente
para la aplicación
4 $2521,04
USD
Baterías VICTORIZ 100436 Capacidad para entregar
corriente 10Ah, carga de 24V,
dimensiones adecuadas para el
robot.
2 $249
USD
Iluminación BLISTER
ACLL06
W
Lámpara de 12 LED alta
eficiencia de iluminación
22.1Lux, y bajo consumo
900mW
2 $7.92
USD
TOTAL $8115.34
USD
36
Utilizando este tipo de sistemas y promoviendo su desarrollo, se contribuye con una mejor calidad de
vida para el personal encargado de la inspección, se reducen los daños ambientales producidos por una
tubería averiada y se reduce además tiempo y dinero en la inspección.
El desarrollo de tecnologías y metodologías para este tipo de inspecciones, podría en un futuro
permitir que el uso de mano de obra humana sea innecesario, algo que se traduce en reducción de
infecciones debido al contacto con el ambiente tan poco compatible con el cuerpo humano, reduciendo
costos en la inspección y a partir de la investigación en las técnicas de reparación, reducir el tiempo de
solución de problemas, aportando al medio ambiente.
Con respecto a los objetivos planteados, es satisfactorio saber que se ha logrado hacer un diseño de
sistemas integrados y definir la arquitectura de interacción entre ellos. Mirando las características de
cada sensor, se pudo cumplir con las especificaciones dadas por el cliente, e incluso se encontraron
dispositivos con mayor rango de medida y cámaras con tecnología superior a la especificada. Además
de lograr cumplir con los objetivos que se tenían, se hizo un análisis detallado de dispositivos para
conseguir equipos más versátiles en cuanto a tamaño, precio, desempeño y protección.
En un desarrollo futuro debe realizarse la programación interna del computador, elegir el sistema
operativo con el cual se va a trabajar, y hacer la integración física todos los sensores, router, cámaras,
drivers, etc.
Se deja como proyecto futuro la integración física y la programación de todos los subsistemas,
optimizando el funcionamiento y garantizando la longevidad del robot. Para llevar a cabo el proyecto
sin ningún percance se deja como anexo todas las hojas de especificaciones de los dispositivos
propuestos, en donde se muestran los diagramas de conexión, software utilizados y puertos físicos con
sus dimensiones.
Finalmente queda como una gran experiencia y aprendizaje el saber que camino tomar a la hora de
proponer una instrumentación adecuada que garantice longevidad, conexión rápida, costo reducido y
desarme modular de un sistema en particular (Robot). Al aplicar todo lo aprendido en la carrera se
logra tener un criterio más acertado para lograr cumplir con las demandas de un cliente en nuestro
caso H&U (Hidráulica y urbanismo).
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