UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

MEMORIA FINAL DE PROYECTOS DE INNOVACIÓN DOCENTE

CONVOCATORIA CURSO 2010/2012

DATOS DEL/DE LA SOLICITANTE

Nombre SILVIA

Apellidos SATORRES MARTÍNEZ

D.N.I. 26741651-B E-mail satorres@ujaen.es

Centro EPS de Jaén Teléfono 953 213381

Departamento Ingeniería Electrónica y Automática

Categoría Contratado Doctor

DATOS DEL PROYECTO

Título DESARROLLO DE UN LABORATORIO REMOTO PARA LA

REALIZACIÓN DE PRÁCTICAS DE ROBÓTICA MÓVIL

Línea de actuación Proyecto de Innovación para asignaturas

Departamento/s implicados Ingeniería Electrónica y Automática

Asignatura/s implicada/s Robótica Industrial, Visión por Computador,

Robótica, Introduction to Robotics, Control

por Computador

Titulación/Grado implicado/s Ingeniería Industrial, Ingeniería Informática,

Ingeniería Técnica Industrial: Esp.

Electrónica Industrial, Máster en Control de

Procesos

Curso/s implicado/s 4

Nº de alumnos afectados 200

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

MEMORIA DEL PROYECTO

Justificación

Breve resumen:

El presente proyecto de innovación docente para asignaturas propone el desarrollo

de un laboratorio remoto que permita a los alumnos hacer uso, a través de internet,

del robot móvil Pekee actualmente ubicado en el laboratorio de Automática y

Robótica Industrial de la EPS de Jaén. Con este tipo de herramienta, el alumno

podrá utilizar uno de los robots móviles, destinados a prácticas, del Área de

Ingeniería de Sistemas y Automática (ISA), perteneciente al Departamento de

Ingeniería Electrónica y Automática.

Con la utilización de este laboratorio se permitirá a los alumnos profundizar en

algunos conceptos de robótica, visión por computador y diseño de algoritmos de

control que serán de gran utilidad en asignaturas relacionadas con estas temáticas.

Además, para el alumnado, la posibilidad de trabajar con equipos comerciales es

mucho más enriquecedora que la utilización de sistemas simulados. A este respecto,

el empleo del laboratorio remoto permitirá que la gestión de los equipos comerciales

sea mucho más eficiente.

Justificación del proyecto:

En los últimos tiempos, las tecnologías de la información y las comunicaciones se

han venido aplicando de forma exitosa a la docencia. Los alumnos se encuentran

altamente motivados para usar los recursos disponibles en entornos remotos a

través de Internet. Asimismo, gracias a los laboratorios remotos, el estudiante se

puede habituar al trabajo con equipos reales, a los cuales puede acceder desde su

hogar y con una amplia flexibilidad de horarios.

Sin duda, dentro del nuevo sistema de enseñanzas, EEES, el laboratorio remoto

adquiere una especial relevancia permitiendo el desarrollo de experiencias prácticas,

por parte del alumno, sin restricciones horarias, tantas veces como desee, y en los

momentos más adecuados para su aprendizaje.

Finalmente, los solicitantes tienen experiencia previa en el desarrollo de laboratorios

remotos puesto que en la anterior convocatoria participaron en un proyecto

destinado al desarrollo de un laboratorio virtual para el control remoto de una planta

de tanques interconectados.

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

Objetivos conseguidos

Se presenta, a continuación, el grado de cumplimiento de cada uno de los objetivos

planteados en la solicitud del proyecto de innovación docente y los avances respecto

a lo detallado en la memoria de progreso presentada el pasado curso académico.

Fundamentalmente, los objetivos inicialmente marcados, para llevar a cabo el diseño

y desarrollo del laboratorio remoto, pueden resumirse en:

1. Evaluación de trabajos previos en laboratorios virtuales y/o remotos

para monitorización y control de equipos.

CURSO 2010/2011: Se realizó un estudio de varios trabajos, dentro del área

de la robótica, que presentaban mecanismos para manejar robots en un

entorno remoto. Este estudio sirvió para el diseño de esquema de transferencia

de datos entre cliente, servidor y robot (¡Error! No se encuentra el origen de

la referencia.).

Figura 1. Esquema de transferencia de datos

2. Diseño de un entorno controlado y con las medidas de seguridad

requeridas para la navegación del robot.

CURSO 2010/2011: Se diseñó el entorno controlado para la navegación del

robot. También se programó el entorno web para la monitorización, en tiempo

real, las lecturas de los sensores del robot móvil Peeke.

CURSO 2011/2012: Mejora del entorno web de lecturas de los sensores (Se

detalla en la Sección de Resultados Obtenidos).

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

3. Elaboración de material específico sobre los requisitos y normas de

utilización del laboratorio.

CURSO 2011/2012: Se está trabajando, como mecanismo de seguridad, en

la creación de una base de datos SQL (MySQL) corriendo en la máquina

donde está instalado el servidor Web. De esta forma, a la hora de utilización

del laboratorio, se podrá limitar el uso sólo a usuarios registrados

previamente en la base de datos mediante nombre y contraseña. Esta acción

se llevará a cabo justo antes de consultar la disponibilidad del Pekee.

Asimismo, también se registrará en todo momento las acciones de los

usuarios guardándolas en una tabla de la base de datos, desde que el

usuario se da de alta en el sistema, escoge una práctica, la termina, se da de

baja y libera el entorno. Este historial de operaciones servirá para controlar el

buen uso del laboratorio.

4. Potenciar la elaboración, por parte del profesorado implicado, de

relaciones de prácticas con las que los alumnos tengan la posibilidad de

afianzar sus conocimientos utilizando el laboratorio remoto.

Antes de la utilización del laboratorio de manera remota, por las asignaturas

implicadas en este proyecto, se utilizará el mismo, a modo se experiencia

piloto, en sólo una de las asignaturas y de forma local. La asignatura

seleccionada es Visión por Computador, optativa de segundo ciclo de

Ingeniería Industrial. Al tratarse de una materia optativa el número de

alumnos no suele ser muy elevado, inferior a 25, por lo que es ideal para

tener la opinión del alumnado sobre la herramienta y recoger sus sugerencias

antes de ofrecerla al resto de asignaturas y profesorado.

Por este motivo este cuarto objetivo se realizará finalizada la experiencia

piloto dentro de dos cursos académicos.

Contenidos desarrollados

Uno de los contenidos desarrollados durante el primer año fue el diseño del entorno

de navegación controlado y de los obstáculos para la navegación del Peeke. Durante

este curso se ha construido dicho entorno (Figura 2), siendo de utilidad en

asignaturas de robótica en las que, además de trabajar con robots industriales,

también se programan robots móviles y humanoides.

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

Figura 2. Entorno de navegación controlado

También se han desarrollado plantillas serigrafiadas con rutas para el seguimiento

de caminos como la presentada en la Figura 3.

Figura 3. Rutas para el seguimiento de caminos

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

Con el fin de que el alumno tenga una guía para poder implementar algoritmos de

visión por computador que permitan la extracción de la ruta, que el robot deberá

seguir, se ha desarrollado el procedimiento mostrado en la Figura 4. Aunque dicho

procedimiento está implementado en Matlab, no pudiendo ser utilizado directamente

en el laboratorio remoto, permite conocer los algoritmos de visión que deberían ser

seleccionados o implementados para conocer los puntos a los que debería

desplazarse el robot para seguir una determinada ruta.

Figura 4. Procedimiento de visión para la detección de caminos

Finalmente y conociendo que las variables de control necesarias para conseguir el

guiado del mismo son las velocidades de las ruedas laterales es posible expresar la

posición y orientación del mismo empleando el modelo Jacobiano directo. Dicho

modelo relaciona posición, p, y orientación del robot, Φ, con velocidad lineal, v, y

angular, ω, mediante la expresión:

El desarrollo de este contenido se encuentra en el archivo adjunto “pekee.pdf”

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

Descripción global de la experiencia

En general, puede calificarse el diseño y desarrollo del laboratorio remoto de robótica

móvil como una experiencia ambiciosa. Del estudio bibliográfico realizado de

experiencias similares se concluye que es primordial tener un conocimiento

actualizado de las herramientas software y plataformas de desarrollo para

aplicaciones distribuidas. Si bien en este primer desarrollo se ha adoptado una

solución sencilla en la transferencia de datos del sistema, ésta, probablemente, en

futuras versiones, deberá ser mejorada.

Además, la puesta a punto del robot móvil requirió también de un gran esfuerzo que

no se plasma en esta memoria. Fue necesaria la actualización del software del PC,

que lleva integrado el robot, contactando con el fabricante para que nos

suministrase las últimas versiones de los drivers de los dispositivos.

Por este motivo, se ha considerado interesante la utilización del mismo, de manera

local y a modo de experiencia piloto durante curso académico 2012-2013.

Metodología empleada

(sesiones de trabajo, actividades, recursos didácticos, cronograma, etc)

El plan de trabajo seguido para conseguir el control remoto del robot Pekee vía web,

puede resumirse en las siguientes tareas:

T1: Análisis y estudio de los manuales de usuario del robot y de las

aplicaciones disponibles del mismo.

T2: Estudio de las diferentes posibilidades de conexión PC – Robot y sus

compatibilidades.

T3: Estudio de librerías del robot y aplicaciones creadas para conocer las

diferentes órdenes y maneras de actuar con las que se rige el Pekee.

T4: Comparación de posibles soluciones para la creación del laboratorio

remoto.

T5: Aprender a utilizar las herramientas necesarias y desarrollar la

aplicación web.

T6: Ejercer numerosas pruebas sobre la aplicación y optimizarla según los

resultados obtenidos en cada caso.

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

El cronograma de ejecución de dichas tareas se presenta en la Tabla 1

Tabla 1. Cronograma de tareas

Tareas Primer año Segundo año

T1

T2

T3

T4

T5

T6

Resultados obtenidos

Se ha conseguido la mejora de la aplicación web desarrollada durante el primer año

del proyecto. Aunque la aplicación web inicial (¡Error! No se encuentra el origen de

la referencia.) era bastante intuitiva y de fácil manejo, presentaba algunas deficiencias que han sido incluidas en la aplicación web actual.

La principal deficiencia era que el alumno no podía consultar la cámara de abordo

del robot ni el sensor de visión IP, cámara cenital, que monitorizará el laboratorio

remoto en su totalidad. Mediante la interfaz gráfica de visión (Figura 6) se tendrá

acceso a ambos sensores. Esta interfaz estará disponible desde la actual interfaz gráfica del robot móvil (Figura 7).

Figura 5. Aplicación web inicial para la navegación del robot Pekee

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

Figura 6. Interfaz gráfica de visión

Figura 7. Interfaz gráfica de la aplicación web para la navegación del robot Pekee

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

Además, con esta nueva aplicación es posible monitorizar el estado de las variables

de control y principales sensores del robot (Figura 8).

Figura 8. Interfaz gráfica para monitorización de variables

Proyección e Impacto

(transferencia de los resultados y mejoras en el aprendizaje demostrables)

Sin duda se producirán mejoras significativas en el aprendizaje de las asignaturas

implicadas en este proyecto de innovación docente. Ofrecer al alumno la posibilidad

de trabajar con equipos reales, sin límite de horarios y en el momento más conveniente para su aprendizaje le ayudará a afianzar, de forma rápida y eficaz, los

conceptos fundamentales de estas asignaturas. Además, para las asignaturas en las

que el número de alumnos es elevado y los equipos reales destinados a prácticas

limitados esta herramienta será una solución muy interesante.

Son muchas las universidades que disponen de laboratorios remotos y que comparten sus recursos a nivel nacional. Un ejemplo de ello es la red Automat L@bs

en la que diversos centros universitarios habilitan sus equipos reales para la

realización de prácticas de Automática de manera remota.

En trabajos recientes se está comenzando a integrar laboratorios remotos en plataformas de docencia virtual como Moodle.

En nuestro caso y una vez finalizada la fase de evaluación del laboratorio del manera

local podremos comprobar la mejora en la docencia de las asignaturas, que por su

temática, puedan beneficiarse de este laboratorio.

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

Evaluación del proceso y Autoevaluación

(instrumentos y recursos empleados)

El proceso de evaluación, de esta herramienta, comenzará como una actividad piloto ofreciendo a los alumnos de la asignatura optativa de 2ºCiclo de Industriales de Visión por Computador la posibilidad de trabajar con el laboratorio de forma local.

A modo de trabajos opcionales los alumnos podrán utilizar el robot Pekee

implementando algoritmos de detección de obstáculos y seguimiento de rutas que

permitan la navegación del mismo, de manera autónoma, en el entorno controlado, presentado en la Sección de Contenidos.

El trabajo con la herramienta de manera local nos permitirá mejorarla y depurar

posibles errores antes de ofrecerá, de forma remota, al resto de asignaturas.

Otras consideraciones

Las placas serigrafiadas de las rutas de navegación, aunque están diseñadas, deben

aún ser pedidas.

Gastos generados en el segundo año

Fungibles SAI para servidor: 72.75 euros

Actualización software: 44.96 euros

Inventariables PC servidor 499 euros

Cámara IP: 131.48 euros

Viajes/Actividades

Otros

Justificación

La construcción de las placas serigrafiadas será

entorno a los 450 euros. El resto del importe concedido

en este proyecto se destinó a la construcción del

entorno controlado para la navegación del robot Peeke

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE JJAAÉÉNN

Vicerrectorado de Docencia y Profesorado Secretariado de Innovación Docente y Formación del Profesorado

DATOS DE LOS MIEMBROS DEL GRUPO

Nombre JUAN

Apellidos GÓMEZ ORTEGA

D.N.I. 25974756M E-mail juango@ujaen.es

Centro E.P.S. JAÉN Teléfono 953 212443

Departamento INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA

Asignatura impartida AUTOMÁTICA INDUSTRIAL, FUND. CONTROL DE PROCESOS

Curso 2º GRADO, MÁSTER

Categoría CATEDRÁTICO DE UNIV. Firma

DATOS DE LOS MIEMBROS DEL GRUPO

Nombre SILVIA

Apellidos SATORRES MARTÍNEZ

D.N.I. 26741651B E-mail satorres@ujaen.es

Centro E.P.S. JAÉN Teléfono 953 213381

Departamento INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA

Asignatura impartida AUTOMÁTICA INDUSTRIAL, VISIÓN POR COMPUTADOR

Curso 2º GRADO, 2º CICLO

Categoría CONTRATADO DOCTOR Firma

DATOS DE LOS MIEMBROS DEL GRUPO

Nombre ALEJANDRO

Apellidos SÁNCHEZ GARCÍA

D.N.I. 77321466 E-mail asgarcia@ujaen.es

Centro E.P.S. DE JAÉN Teléfono 953 213380

Departamento INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA

Asignatura impartida CONTROL POR COMPUTADOR, REGULACIÓN AUTOMÁTICA

Curso MÁSTER, 1º CICLO

Categoría AYUDANTE Firma

VºBº de Coordinador/a

Fdo.: Silvia Satorres Martínez

Jaén, a 3 de septiembre de 2012

Ficha descriptiva del Robot Movil Peeke

Grupo de Robotica, Automatica y Vision por Computador de la Universidad de Jaen,23071 Jaen, Espana.

1. Descripcion del proceso

La plataforma de experimentacion seleccionada es el sistema robotico de codigo abierto Pekee. La plata-forma esta compuesta por un robot movil que puede ser controlado programando directamente su firmwareen modo local o de forma remota a traves de un PC convencional mediante comunicaciones TCP/IP. El robotes el que se muestra en la figura 1. Esta equipado con un modulo que contiene un PC embebido, un segundomodulo de comunicaciones WIFI y los siguientes sensores:

1 camara de espectro visible.

15 sensores infrarrojos dispuestos en su perımetro para medir distancias.

2 odometros, uno en cada rueda.

1 sensor de impacto.

2 girometros.

1 sensor de luz.

2 sensores de temperatura.

El robot se encuentra alojado en un recinto de geometrıa cuadrada y la plataforma cuenta con una camaracenital que permite visualizar todo el recinto.

Las variables que permite manipular el sistema posibilitan realizar sobre el robot movil un control enposicion y en orientacion. Esto conlleva a que el robot pueda realizar determinadas tareas como seguimientode rutas y deteccion de obstaculos.

Esta plataforma de experimentacion esta motivada por la actual y creciente incorporacion de la roboticaen el sector agrıcola. Los robots evitan que los agricultores se expongan constantemente a productos toxicosempleados en labores de fumigacion y facilitan la realizacion de tareas tediosas y repetitivas en los procesosde siembra y recoleccion.

2. Contenidos docentes y asignaturas

Los contenidos docentes posibles para este sistema incluirıan:

Procesado de imagenes en tiempo real empleando para ello la camara de abordo del robot movil y lacamara cenital de la plataforma.

Caracterizacion de obstaculos y busqueda de un sistema de referencia externo.

Control reactivo del robot mediante coordinacion competitiva empleando los sensores infrarrojos.

Control reactivo mediante coordinacion cooperativa empleando los sistemas de vision.

Las asignaturas susceptibles de hacer uso de este laboratorio serıan:

1

Figura 1: Robot experimental utilizado.

Figura 2: Guiado diferencial.

Asignatura de introduccion al control de procesos: se puede poner como ejemplo para asimilar el con-cepto de control de procesos en robotica movil.

Asignatura sobre control de robots y sistemas sensoriales: en esta asignatura se podrıan elaborar unaserie de practicas donde se pongan de manifiesto los contenidos docentes ya comentados.

Asignatura sobre vision por computador: se puede implementar una practica con los sistemas de vi-sion de la plataforma de experimentacion para aplicar los conocimientos teoricos adquiridos en estaasignatura.

3. Modelo cinematico del robot

El sistema de traccion del robot Peeke coincide con el modelo de sistema de locomocion con guiadodiferencial de la figura 2. En este caso las variables de control son las velocidades de las ruedas laterales. Elmodelo jacobiano directo nos permite expresar la posicion y la orientacion del robot en el plano en funcionde la velocidad lineal y angular con la siguiente expresion:

p′ =

−senΦcosΦ

0

v +

001

w (1)

Sean wi y wd , las velocidades de giro de las ruedas izquierda y derecha, respectivamente. Si el radio de larueda es c, las velocidades lineales correspondientes son:

vi = wi c (2)

vd = wd c (3)

2

En este caso, la velocidad lineal y la velocidad angular correspondientes del modelo de locomocion vienendadas por:

v =vd + vi

2=

(wd + wi) c

2(4)

w =vd − vi

b=

(wd − wi) c

b(5)

siendo b la vıa del vehıculo (distancia que separa las dos ruedas centrales). Por consiguiente, si se especifican lavelocidad lineal v y angular w del vehıculo, las velocidades de giro que hay que aplicar a las ruedas izquierday derecha son:

wi =v − (b/2)w

c(6)

wd =v + (b/2)w

c(7)

Sustituyendo (4) y (5), el modelo (1) puede expresarse en funcion de estas variables de control comox′

y′

Φ′

=

−(c senΦ)/2(c cosΦ)/2

−c/b

wi +

−(c senΦ)/2(c cosΦ)/2

c/b

wd =

−(c senΦ)/2 −(c senΦ)/2(c cosΦ)/2 (c cosΦ)/2

−c/b c/b

[wi

wd

](8)

4. Listado de software necesario

Al tratarse de un laboratorio remoto el sistema completo estara formado por la plataforma de experi-mentacion, un equipo servidor y un equipo cliente que accede a la plataforma. La solucion que podrıa servalida es la de un sistema basado en web. Para esta solucion partimos de un equipo servidor con el siguientesoftware:

Servidor web de aplicaciones Tomcat. Este servidor web publica y ofrece los servicios de acceso alcontrolador de la plataforma experimental.

Framework GWT (Google Web Toolkit). Este framework va a permitir construir la interfaz web deusuario en lenguaje Javascript.

Servidor de base de datos Mysql para mantener un control de acceso al sistema y un registro de sesionesabiertas.

En el lado del cliente y como principal ventaja del sistema basado en web unicamente sera necesario disponerde un navegador web.

5. Boceto de interfaz grafica

La interfaz grafica estara basada en principio en tres pantallas. La figura 3 muestra el esquema basico dela plataforma de experimentacion y permite iniciar o parar el sistema, cargar un controlador y descargar losresultados de la experimentacion. La figura 4 muestra las variables del sistema que pueden ser monitorizadas.Y la figura 5 muestra las imagenes instantaneas que captan los dos sistemas de vision de la plataforma.

3

Figura 3: Interfaz grafica del robot movil.

4

Figura 4: Interfaz grafica para monitorizacion de variables.

5

Figura 5: Interfaz grafica de vision.

6