1. Introducción.
El masivo uso del World Wide Web y el continuo mejoramiento y abaratamiento del
hardware computacional han incentivado el desarrollo de diversos tipos de
aplicaciones sobre Internet [5]. En particular el desarrollo de sistemas
controlados a través de Internet (ej. Webcam) ha suscitado un creciente
interés. Se espera que la utilización de este tipo de sistemas se vea incrementado
en los próximos años, y que en un futuro cercano tareas de monitoreo y control
de procesos y sistemas sean realizadas normalmente a través de Internet.
En este
contexto, el trabajo desarrollado consiste en el control de un sistema robótico
móvil inalámbrico a través de Internet. Este sistema, diseñado y construido
especialmente con este propósito, está formado por un robot móvil
sobre el cual va
montada una cámara de
|
|
|
|
|
|
 |
|
|
1 Académico Departamento de Ingeniería
Eléctrica, Universidad de Chile. Ingeniero Civil Electrónico, Universidad
Técnica Federico Santa María. Dr. Engineer, Technical University of Berlin,
Germany.
2 Ingeniero Civil Electricista, Universidad de Chile.
|
|
video (ver figura 1). Ambos, el robot y la cámara
pueden ser manejados desde un sitio WEB, en el cual se despliegan asimismo las
imágenes captadas por la cámara (ver figura 2).
La organización de este artículo es la siguiente. En
la secciones 2 y 3 se describen los principales componentes de hardware y
software del sistema desarrollado. En la sección 4 se presentan algunas
conclusiones y proyecciones de este trabajo.
2. Implementación de
Hardware.
Tal
como se muestra en la figura 1, el sistema móvil consiste de un robot y de una
cámara de video. La cámara de video
está montada encima del robot y los dos
son manejados por un computador portátil,
denominado
computador local y que se encuentra al
interior del robot. El hardware del sistema móvil consiste principalmente en
dos estructuras metálicas. La primera y más grande tiene dos pisos y está
montada sobre dos plataformas móviles de cuatro ruedas cada una (ver figura
4-a). Estas plataformas están conectadas a dos motores de corriente continua,
los cuales le permiten realizar los movimientos básicos (avanzar, retroceder y
doblar). El primer piso de esta estructura contiene el circuito controlador del
robot, una batería que lo alimenta, y la fuente que alimenta los motores de
corriente continua (ver figura 4-b). El segundo piso contiene el computador
portátil con conexión inalámbrica a Internet (ver figura 4-c).
El computador
está conectado al circuito controlador de los motores del robot mediante su
puerta paralela y al circuito controlador de la cámara mediante su puerta
serial (ver esquema en figura 3). La segunda estructura del sistema móvil
contiene en su interior el circuito controlador del movimiento de la cámara y
sobre esta estructura se encuentra montada la cámara de video (ver figura 4-d).
La cámara de video tiene un servomotor conectado en su base, el que le permite
realizar movimientos en el eje horizontal.
2.1. Control del Robot.
Los dos motores de corriente
continua del robot son controlados desde la puerta paralela (protocolo CENTRONICS)
del computador. El circuito controlador utiliza dos relés para controlar cada
motor (ver figura 5). Por cada relé se utiliza un transistor (Ti),
un diodo (Di), un optoaislador (Oi) y una resistencia (Ri).
El giro de cada motor se
controla mediante los bits b1 y b2. Si cualquiera de
estos bits vale 1, el motor gira en una determinada dirección (el estado 11 no
está permitido). Para controlar ambos motores se utilizan los 4 bits inferiores
de la puerta paralela (D0-D3). En la tabla 1, se muestran
las distintas secuencias de bits necesarias para los distintos sentidos de
movimiento del robot.
El motor servo
sobre el que se encuentra montada la cámara de video es manejado por una
tarjeta Mini SSC II [11] (ver figura 6), la que es controlada desde la puerta
serial (protocolo RS-232) del computador (ver figura 3). Esta tarjeta permite
controlar los movimientos de hasta 8 motores servo con simples comandos ASCII
enviados desde la puerta serial. Funciona como una suerte de traductor de
comandos en formato ASCII a comandos PWM (Pulse Width Modulation), que son los necesarios
para controlar el movimiento de los motores servo.
Figura 1: Sistema Móvil desarrollado.
Figura 2:
Sitio WEB del sistema móvil. Se muestran el panel de control y la imagen
captada por la cámara de video.
Tabla 1: Comandos
enviados por puerta paralela para control de movimientos del robot.
|
Sentido
de movimiento del robot
|
Byte
enviado
|
|
Adelante
|
10100000
|
|
Atrás
|
01010000
|
|
Doblar
a la izquierda
|
10000000
|
|
Doblar
a la derecha
|
00100000
|
|
Parar
|
00000000
|
Figura 5:
Esquema del circuito controlador de un motor de corriente continua.
La tarjeta se configura para funcionar
con un rango de movimientos de 90 grados (desde –45 hasta +45), con lo cual el
circuito posee una resolución de 4 microsegundos, dando una precisión de
posición de 0.36 grados. Alternativamente es posible configurar la tarjeta para
que funcione con un rango de movimientos de 180 grados (desde –90 hasta + 90).
Para controlar los servo motores usando el Mini SSC II es necesario enviar la
siguiente información desde la puerta serial del computador:
-
255, para inicializar el circuito
-
El
número del motor que se quiere mover
-
La
posición a la cual se quiere mover el motor.
El número del motor varía entre 0 y 7
y la posición varía ente 0 y 254. A modo de ejemplo, si se quiere mover el
motor número 7 al centro (cero grados), se debe enviar la siguiente información
por la puerta serial: 255, 7, 127. Este código altera solamente la posición del
motor número 7 y no afecta la posición de los otros motores. Las posiciones se
enumeran desde 0 hasta 254 por lo que la posición número 127 corresponde al centro.
Figura 6: Tarjeta controladora de motores servo “Mini SSC II”.
2.2 Enlace
Inalámbrico.
Para obtener una conexión inalámbrica
a Internet en el computador local se utilizó el protocolo IEEE 802.11 [8], el
cual define un nuevo estándar de redes de área local inalámbricas (WLANs:
Wireless LANs). Para la implementación del protocolo IEEE 802.11 es necesario
tener tarjetas de red inalámbricas y puntos de acceso. El punto de acceso actúa
como puente entre la red inalámbrica que se está implementando y la red fija
existente, la cual está conectada a Internet.
2.2.1 Tarjeta de red inalámbrica.
La tarjeta de red inalámbrica fue
diseñada para usarse en computadoras portátiles, por lo que corresponde a una
tarjeta de tipo PCMCIA (Personal Computer
Memory Card International Association). La tarjeta viene integrada con una
pequeña antena que le permite mandar y recibir la información de manera
inalámbrica. La velocidad de transmisión de la tarjeta utilizada es de 11 Mbps
ya que utiliza la versión mejorada del protocolo IEEE 802.11, el IEEE 802.11b.
Cabe destacar que la velocidad de transmisión no es fija sino que depende de la
distancia del usuario al punto de acceso y del entorno en que se encuentra el
cliente inalámbrico.
2.2.2 Punto de
acceso.
El punto de acceso tiene una interfaz
para conectarlo con redes Ethernet mediante 10Base-T y 10Base-2, y puede ser
montado tanto sobre Ethernet como sobre Fast-Ethernet. El punto de acceso posee
un sistema de seguridad para proteger a la red del acceso de personas no
autorizadas. Este sistema utiliza tablas de acceso que incluyen listas de
usuarios autorizados, lo cual sirve para restringir el ingreso a la red, y
encriptación de datos para proteger la información que viaja en la red. Para el
proceso de instalación, gestión y control del punto de acceso, se tiene un
software ambientado en Windows que permite de una manera sencilla realizar
estos procesos. Debido a las características de nuestro sistema, es más
importante la velocidad de la conexión inalámbrica que la distancia entre el
usuario inalámbrico y el punto de acceso. Esto se consideró al momento de
configurar los equipos, por lo que se eligió la opción de modulación DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) [9], que
otorga mayor velocidad en distancias relativamente cortas. Para brindar mayor
seguridad al sistema se habilitó la opción de encriptación de datos en el punto
de acceso.
3. Implementación de
Software.
La solución de
software implementada para permitir a los usuarios manejar el sistema móvil a
través de la red Internet consiste en una interfaz
socket[2], basada en el modelo cliente-servidor.
3.1 Programa servidor.
El programa servidor se ejecuta en el computador local
(ver figura 3) y es el encargado de recibir comandos remotos, procesarlos y
ejecutar la acción correspondiente a cada comando. Para programar el programa
servidor se eligió el lenguaje C++ debido a la excelente plataforma que ofrece
para la interfaz socket, además de su
condición de lenguaje orientado a objeto, que facilita la programación. Es
importante notar la diferencia entre el programa servidor y el servidor WEB. El
primero es un programa que se instala en el computador local, en cambio, el
servidor WEB es un computador “poderoso” en el cual se almacena el sitio WEB
del sistema móvil (ver figura 2).
3.1.1 Asignación de direcciones y puertos.
Para implementar correctamente la interfaz socket, el programa servidor necesita de una dirección IP
[7] y de un puerto TCP [6]. La dirección IP asignada al programa servidor es la
dirección IP del computador en el cual se está ejecutando el programa servidor.
Es importante destacar que esta dirección IP no se incluye en el código del
programa servidor, por lo que es posible ejecutar el programa servidor en un
computador con otra dirección IP, sin tener que cambiar ningún parámetro. En
cambio, sí será necesario configurar este parámetro en el programa cliente. Se observó que los puertos TCP que se
encuentran entre los 5000 y los 6000 tienen un buen funcionamiento en el
trabajo con la interfaz socket por lo
que se eligió el puerto número 5678 para este proyecto. Para el uso del puerto
TCP en el programa servidor se define
la variable global DEFAULT_PORT y se le asigna el valor del puerto
elegido.
3.1.2 Funciones controladoras.
Para que el programa servidor ejecute
acciones es necesario definir funciones que al ser llamadas manden los comandos
necesarios a la puerta paralela (control de motores del robot) o a la puerta
serial (control del motor de la cámara) del computador local.
La primera función definida es mover_robot, que se declara como: int mover_robot (int comando). Primero
se inicializa la puerta paralela del computador local para poder mandar
información por ésta. Luego se envía la variable comando que identifica el tipo de movimiento del robot (ver
comandos permitidos en tabla 1). Para enviar esta variable se utiliza la
instrucción _outp de la siguiente
manera: _outp(PORT1, comando), en que
PORT1 es la dirección de memoria de
la puerta paralela.
La siguiente función definida es mover_cam, la que se utiliza para mover
la cámara de video. La función mover_cam
se declara como: int mover_cam (int motor, int posicion). Para comenzar la acción de control, es
necesario inicializar la puerta serial y enviar el valor 255 al circuito
controlador para inicializarlo. Para esto se utiliza la función _outp(PORT2,255). Luego hay que
ejecutar la acción deseada, para
esto se mandan
los siguientes comandos outp(PORT2,motor) y outp(PORT2,posicion). La variable motor indica sobre cuál motor se quiere ejecutar la acción. Para
los efectos del proyecto se tiene solamente un motor y está conectado en la
posición 7. La variable posicion
indica la posición a la cual se quiere mover la cámara. (ver explicación en
2.1).
3.1.3 Manejo de Sockets.
Para definir la interfaz socket se llama a la función socket(). Esta función define un nuevo
socket y retorna un descriptor de éste para ser usado a lo largo de todo el
proceso de comunicación. La función socket()
[3] es llamada de la siguiente manera:
sock=socket(AF_INET, SOCK_STREAM,
IPPROTO_TCP),
en que AF_INET
representa la familia de direcciones correspondientes al protocolo TCP/IP, SOCK_STREAM corresponde al tipo de socket
confiable ya que utiliza el protocolo TCP en su capa de transporte y
IPPROTO_TCP indica que se está creando un socket sobre una red que utiliza el
protocolo de transporte TCP (la red Internet). Una vez creado el socket se
definen los parámetros de la estructura socket
(en nuestro caso se utilizó la variable address). El parámetro más importante para el
caso del servidor es el puerto TCP asignado para la aplicación. La variable de
la estructura socket correspondiente al puerto TCP es sin_port, la cual es accedida como address.sin_port. Dado
que se ha definido anteriormente la variable DEFAULT_PORT como el valor del
puerto TCP asignado (5678), basta con escribir: address.sin_port
=DEFAULT_PORT.
A pesar de haber designado los valores
a las variables de la estructura socket, tal como el puerto TCP y la dirección
IP, el socket en sí todavía no conoce esta información. Para ligar ambos tipos
de información se utiliza la función bind():
bind(sock, (struct sockaddr *)&address,
sizeof(address)),
en que el primer argumento corresponde al
descriptor del socket creado anteriormente, el segundo argumento indica que se
deben considerar todas las direcciones definidas anteriormente en la estructura
de socket y el tercer argumento indica el largo de las direcciones utilizadas.
Es importante notar que después de utilizar la función
bind() el socket tiene asignadas las
direcciones correspondientes pero falta definir si el socket creado será socket
activo o pasivo. Para definir el socket como pasivo, es decir, dejarlo
preparado para recibir comandos, se utiliza la función listen(). Esta función se utilizó de la siguiente manera: listen(sock, 5), en que el primer
argumento corresponde al descriptor del socket creado anteriormente y el
segundo argumento indica la cantidad máxima de usuarios que pueden estar en la
cola de espera del programa servidor de manera simultánea. La cola de espera
del servidor almacena las conexiones de usuarios nuevos que el programa
servidor no puede atender inmediatamente por estar ocupado. Se decidió utilizar
una cola máxima de 5 usuarios debido a la baja capacidad de procesamiento del
computador local, que es el computador en el cual se ejecuta el programa
servidor.
A continuación se crea un ciclo (loop) para iniciar el
proceso de aceptación de conexiones remotas. Para poder aceptar las conexiones
remotas se utiliza la función accept()
de la siguiente manera:
accept(sock, (struct sockaddr
*)&from, &fromlen),
en que el primer argumento corresponde al descriptor del socket creado
anteriormente, el segundo argumento es un puntero a la nueva estructura from, en la que se definen las
direcciones de la nueva conexión remota, y
el tercer argumento define el tamaño de la estructura from. Con esta información es posible conocer las características de la
conexión remota, accediendo a los parámetros de la estructura from. Por ejemplo, para conocer el
puerto TCP desde el cual se comunica el usuario se debe acceder a la variable from.sin_port. Cuando una conexión es
aceptada por la función accept() se
procede a esperar la recepción de comandos remotos a ser procesados.
3.1.4 Procesamiento de
Comandos Remotos.
Para recibir los comandos enviados por los usuarios,
se utiliza la función recv() de la
siguiente manera: recv(sock,buffer, 255,
0), en que el primer argumento corresponde al descriptor del socket, el
segundo argumento corresponde a la variable que almacena el comando que se
recibe, el tercer argumento corresponde al tamaño de la variable, y el cuarto
argumento corresponde a flag, argumento
que se utiliza siempre con valor nulo. Los comandos que son permitidos por el
programa servidor son los siguientes: adelante,
atrás, doblar_izq, doblar_der, parar,
cam_der, cam_cen, cam_izq y salir.
Los cinco primeros corresponden a comandos de control del robot (ver tabla 1) y
los tres siguientes a comandos de control de la cámara. En caso de recibir el
comando salir es necesario cerrar la
interfaz socket, lo cual se realiza mediante la función closesocket().
3.2 Programa cliente.
El programa cliente es el encargado de
enviar comandos al programa servidor para que ejecute una acción determinada.
Este programa puede ejecutarse desde cualquier computador conectado a Internet
(ver figura 3). El programa cliente puede definirse de dos maneras distintas.
La primera consiste en la utilización de un programa (archivo) de tipo CGI,
residente en el servidor WEB (ver figura 3), pero ejecutado en el computador
del usuario (usuario WWW en figura 3) cuando éste invoca la página WEB correspondiente.
Para realizar esta operación el usuario debe conocer únicamente la dirección de
la página WEB, la que en nuestro caso es “http://robotMovil.die.uchile.cl”. La
segunda posibilidad consiste en utilizar la aplicación TELNET como un programa
cliente. El programa TELNET utiliza la interfaz
socket para crear un canal de comunicación, proceso que se realiza mediante
el uso de la dirección IP y del puerto TCP del programa servidor (ver 3.1.1).
Ambos valores deben ser ingresados, y por tanto ser conocidos de antemano por
el usuario.
Para utilizar el programa cliente es
necesario crear una interfaz para el usuario, a través de la cual éste pueda
ingresar comandos para mover el sistema móvil. En el caso del programa cliente
que utiliza TELNET la interfaz se crea mediante un mensaje de bienvenida y un
conjunto de instrucciones, enviados ambos por el programa servidor al programa
cliente. En el caso del programa cliente de tipo archivo CGI, esta interfaz
está dada por la página WEB correspondiente (ver figura 2). La primera misión
del archivo CGI programado para este proyecto es la de realizar una conexión de
tipo socket con el programa servidor. El archivo CGI se programó usando el
lenguaje PERL [4], específicamente el módulo IO::Socket. La forma de crear el socket usando este módulo es la
siguiente:
$socket
= IO::Socket::INET->new( PeerAddr
=>
'146.83.6.118', PeerPort => '5678', Proto => 'tcp',);
En que PeerAddr corresponde a la dirección IP
del computador donde se está ejecutando el programa servidor, es decir, la dirección
IP del computador local. PeerPort
corresponde al puerto TCP asignado para ejecutar la aplicación (se ha asignado
el puerto 5678 en el programa servidor por lo que es necesario definir el mismo
en el programa cliente) y Proto es la
definición del protocolo sobre el cual se está ejecutando la aplicación. En
este caso la aplicación se ejecuta sobre la red Internet por lo que el
protocolo especificado es el correspondiente al protocolo de la capa de
transporte (TCP).
En el caso de que se use TELNET para
establecer la conexión, se debe especificar la dirección IP del computador
donde se ejecuta el programa servidor junto con el puerto TCP habilitado para esta
aplicación. Para los efectos del proyecto se debe especificar la dirección IP
del computador local junto con el puerto 5678 que fue el puerto habilitado para
la aplicación. El llamado a la aplicación TELNET tendrá la siguiente forma: telnet 146.83.6.118 5678
3.3 Servidor de Imágenes.
El servidor de imágenes consiste en un
programa que permite desplegar las imágenes captadas por una cámara de video en
un sitio WEB, es decir, permite transformar una cámara de video normal en una
Webcam. En nuestro caso este programa se instala en el computador local (ver
figura 3), para poder transmitir las imágenes captadas por la cámara de video
al sitio WEB. El servidor de imágenes seleccionado es el
webcam32 [10], el cual puede
funcionar de dos maneras diferentes, la primera denominada método FTP y
la segunda método HTTP. El método FTP de funcionamiento del servidor de
imágenes consiste en capturar las imágenes obtenidas por la cámara de video
transformando la secuencia de imágenes que forman el video en imágenes individuales
de extensión JPEG, y a continuación enviar estas imágenes al servidor WEB
utilizando el protocolo FTP. El servidor WEB requiere de un sitio WEB en el
cual se desplieguen las imágenes, por lo cual una vez integrada la información
enviada con el código fuente del sitio será posible visualizar estas imágenes
en Internet. El método HTTP de funcionamiento consiste en configurar al
servidor de imágenes como un pequeño servidor WEB. De esta manera el servidor
de imágenes captura las imágenes desde la cámara de video y las envía
directamente al navegador del usuario.
Dado que se eligió el método de
funcionamiento HTTP, fue necesario incluir en el
código fuente de la página WEB del sistema móvil (ver figura 2) la
etiqueta <IMG> [1], la cual se encarga de la visualización de imágenes en
el sitio WEB. Esta etiqueta, perteneciente al código HTML se incluye de la
siguiente manera:
<IMG SRC =
http://IP/video/JPEG\ width=320 height=240>,
en que IP
corresponde a la dirección IP del computador local y Width y Height corresponden
al tamaño de la imagen a colocar en el sitio.
4. Conclusiones.
En este artículo se ha descrito el
control de un sistema robótico móvil a través de Internet. Este sistema está
formado por un robot móvil sobre el cual va montada una cámara de video. Ambos,
el robot y la cámara pueden ser manejados desde un sitio WEB, en el cual se
despliegan asimismo las imágenes captadas por la cámara. Entre las
características interesantes del sistema descrito se cuenta el hecho de que
éste se conecta en forma inalámbrica a Internet, utilizando un protocolo de comunicaciones
Wireless-LAN estándar (IEEE 802.11).
El desarrollo de este trabajo ha
permitido demostrar la amplia disponibilidad actual de tecnologías de software
y hardware que facilitan considerablemente el desarrollo de este tipo de
aplicaciones. En este contexto se espera que la utilización y construcción de
este tipo de sistemas se vea incrementado en los próximos años, y que en un
futuro cercano tareas de control y monitoreo de procesos y sistemas sean
realizadas normalmente a través de Internet.
Actualmente se están ampliando las
capacidades del sistema móvil descrito, de tal forma de aumentar su
funcionalidad y de permitir su uso en tareas de exploración. En particular se
desea:
- controlar la velocidad de desplazamiento del sistema móvil por
Internet, y
- agregar sensores de
distancia al sistema móvil, de tal forma que se despliegue un mapa
tridimensional del área en la cual éste se encuentra, en el sitio WEB visto por
el usuario del sistema.
Reconocimientos.
El desarrollo de este trabajo
ha sido financiado por el proyecto DID (U. de Chile) ENL-2001/11 y por el Departamento
de Ingeniería eléctrica de la Universidad de Chile.
Referencias.
[1].
Castillo, C., “Tejedores
del Web, Manual de HTML”, http://www.tejedoresdelweb.com.
[2]. Comer,
D., “InternetWorking with TCP/IP” Volume
III. Client-Server Programming and
Applications Principles, Protocols and Architecture, Prentice Hall, marzo
2000.
[3]. Hall, B., ”Beej`s Guide to Network Programming, Using
Sockets”, Versión 1.5.5, enero 1999. http://www.ecst.csuchico.edu/~beej/guide/net/.com.
[4]. Harlan,
D., Foghlu, M., Doyle, P., Powers, S., Hery, M., “Using Perl 5 for Web Programming, Special
Edition” Ed. QUE, agosto 1996.
[5].
Meeker, M. Depuy, C., “The Internet
Report”, Morgan Stanley, 1996.
[6].
RFC-793, The
Transmission Control Protocol (TCP).
[7].
RFC-791, The Internet Protocol (IP).
[8].
The
IEEE 802.11 Wireless LAN standard, Wireless LAN Alliance, Raytheon Company
1997.
[9].
Boer,
J., “Direct Sequence Spread Spectrum Physical Layer, IEEE P802.11-96/49E, march
1996.
[10]. Disponible en http://www.webcam32.com/
[11]. SSC-ASD2 V.2.1, “Users Manual Mini
SSC-II”, Scott Edwards Electronics, june 2000.
