Hardware y software ‘easy-to-use’

Hardware y software ‘easy-to-use’

Son muchos los proyectos de investigación e innovación que tienen como objetivo el diseño y desarrollo de un dispositivo electrónico, cuya finalidad es cubrir una necesidad determinada del mercado. En general se buscan dispositivos con la capacidad necesaria para adquirir información del mundo físico que nos rodea y en muchos casos, interactuar con él.

Para realizar la validación de la idea de una forma funcional es necesaria la realización de un prototipo previo que permita tener una primera aproximación de la solución final. Generalmente, la parte más compleja e interesante es el diseño electrónico del dispositivo. En esta parte se realiza el diseño y desarrollo de la placa electrónica, definiendo requerimientos de consumo y comunicación, seleccionando microcontroladores, placa PCB, componentes, conectores, etc.

Para llevar a cabo esta tarea, son necesarias costosas licencias software de diseño electrónico, integrar en el equipo de trabajo personal electrónico experto y destinar una parte importante de las horas del proyecto a su ejecución.

Los tiempos cambian y cada vez son más las plataformas de desarrollo hardware implicadas en hacer posibles estos cambios. Estas plataformas ofrecen al usuario una placa que integra el microcontrolador con los circuitos y componentes básicos de comunicación, de alimentación, etc. Destacan entre ellas: Parallax, STMicroelectonics, LaunchPad, Microchip ChipKIT, mbed (versión de ARM para dar soluciones a internet de las cosas),…

Pero si tuviera que decantarme por una de estas plataformas en este momento lo haría por Arduino. Considero que ha sabido combinar hábilmente la parte hardware con la parte software, generando una plataforma de prototipado flexible, de código abierto y de fácil uso, cuyas características son:

  • Un hardware basado en potentes placas que integran microncontroladores sencillos y cuyas principales características son: bajo coste, reducido tamaño y bajo consumo. Dado que todo está publicado bajo licencia Creative Commons, en el mercado existe disponible una gran variedad de equipamiento auxiliar desarrollado por otros fabricantes que dan soporte a esta plataforma.
  • Un software de código abierto, basado en un entorno de desarrollo sencillo y claro, que permite a programadores expertos generar complejas soluciones. En parte, esto debe disponibilidad de multitud de librerías estandarizadas aportadas por una gran comunidad en la red.

Estas características facilitan y garantizan la integración de las nuevas tendencias y evoluciones que se producen continuamente en el campo de la electrónica, mejorando así sus prestaciones y capacidades.

Aunque a priori se pueda pensar que esta plataforma está diseñada para comenzar a experimentar con la electrónica, sus características la convierten en una herramienta flexible y potente para usuarios expertos, facilitando el desarrollo de prototipos avanzados.

Por lo tanto, estas herramientas permiten reducir costes y tiempos de diseño de cualquier propuesta tecnológica, facilitando la creación de prototipos y disminuyendo los errores generados en su fase de  desarrollo. Esto permite al investigador olvidarse de la implementación a bajo nivel y centrarse en las prestaciones del diseño.

Esta tecnología tiene un gran potencial de integración en varias de las líneas tecnológicas de investigación e innovación con las que trabaja actualmente la Unión Europea como, por ejemplo, en el área de Internet de las Cosas (IoT) y en Factorías del Futuro (FoF), de H2020.

En CARTIF somos conscientes de su importancia y hemos comenzado a utilizar estas plataformas como apoyo en el desarrollo de nuestros trabajos de investigación. Una muestra de ello son el proyecto europeo “SANDS”, donde convergen Internet de las Cosas, Redes Sociales y Sistemas Inteligentes, y el proyecto nacional “REPARA 2.0”, donde se buscan nuevos sensores autónomos e inalámbricos para ser embebidos en la capa de asfalto de nuestras carreteras.

Visión artificial en la embutición en caliente

Visión artificial en la embutición en caliente

Con este post me gustaría tratar de mostrar un ejemplo muy claro de cómo el empleo inteligente de un sistema de visión artificial adecuado puede resolver un problema importante en una línea de producción a un precio razonable.

La carrocería de nuestro vehículo está formada por multitud de piezas metálicas, cada una de ellas con su propio requerimiento. La industria de la automoción fabrica estas piezas mediante un proceso de conformado de chapas laminadas denominado embutición. En este proceso se coloca una chapa metálica sobre una matriz, se fija esta con un pisador y, posteriormente, un punzón empuja la chapa hacia la matriz generando la cavidad deseada.

En función de la temperatura de la chapa, se definen dos tipos de embutición: en frío y en caliente. A continuación, nos centraremos en la embutición en caliente, que se aplica principalmente en elementos de alto requerimiento estructural, como refuerzos, pilares, etc.

En este proceso, la chapa se calienta por encima de la temperatura de austenización, obteniendo una alta ductilidad y a continuación se realiza un enfriamiento rápido para lograr el endurecimiento martensítico de la chapa.  Las piezas así obtenidas alcanzan una alta resistencia, se consiguen formas complejas y se reducen los efectos de springback. Esto permite, entre otras cosas, mejorar la seguridad pasiva de nuestros coches y reducir su peso.

En este proceso de fabricación, las chapas salen del horno a gran velocidad, a una temperatura en torno a unos 900 -950 ºC, y se detienen bruscamente en una posición fija. Posteriormente, un robot las recoge para introducirlas en la prensa lo más rápido posible, con el fin de evitar su enfriamiento antes del golpe de prensa.

El problema surge por la dificultad para garantizar una posición fija con paradores mecánicos. Esto es debido, entre otras cosas, a la velocidad de la línea, a la gran variedad de referencias, a las altas temperaturas de las chapas (se enfrían muy rápidamente en el punto donde existe un contacto), a las características internas del horno (puede llegar a medir 30 m), etc.

Una posición incorrecta supone que el robot falle en la recogida de la chapa o, lo que es peor, que la coja mal y la coloque incorrectamente en la prensa, produciendo un golpe de prensa erróneo y la parada de la línea, unida a un deterioro de los útiles.

En este caso, la visión artificial se presenta como la mejor elección para indicar al robot si la posición real de la chapa es la correcta. La tarea más importante del sistema de visión será segmentar correctamente la chapa en la imagen con el fin de determinar de forma precisa la posición de la misma.

A priori, dada la intensa radiación infrarroja que emiten las chapas debido a su alta temperatura, parece que la alternativa más fácil para conseguir esta tarea es emplear cámaras industriales infrarrojas. Esta solución presenta dos problemas: el elevado coste de estos equipos y la baja resolución de los sensores infrarrojos.

La zona de trabajo en la que se posicionan las chapas es muy amplia, no solo por el tamaño de las piezas, sino también porque en muchos casos se trabaja por lotes, llegando a manipular simultáneamente hasta cuatro unidades. Dada la baja resolución de estos sensores, es necesario emplear varias cámaras para aumentar la precisión con la que se define la posición de la pieza.

En CARTIF estamos desarrollando soluciones más económicas, empleando cámaras industriales dentro del espectro electromagnético del visible con una mayor sensibilidad en el rango del infrarrojo. La resolución de estas cámaras es bastante mayor que la de las cámaras infrarrojas, lo que permite así aumentar la precisión de las medidas.

Esto ha permitido a empresas como Renault obtener un sistema robusto y configurable que evita las paradas indeseables de la línea y alarga la vida útil de sus herramientas, lo que conlleva una mejora considerable en la línea de producción.

Carreteras que deshagan el hielo

Carreteras que deshagan el hielo

En este post me gustaría retomar el tema de las carreteras con suelo radiante, con el fin de profundizar un poco más en el beneficio que puede tener calentar los puntos más críticos de la carretera.

Como ya indiqué, la solución actual para evitar y eliminar la formación de hielo en las carreteras es la aplicación de fundentes, lo que todos conocemos como “sal de carretera”. En mayor o menor medida, esta sustancia es cloruro de sodio, un producto barato y efectivo. Me gustaría pararme aquí para que hagamos una pequeña reflexión, ¿realmente somos conscientes del daño que estamos haciendo empleando estas sustancias? Seguramente no; de ahí que la mayor parte de la gente se alegre cuando ve echar la sal.

Anualmente se esparcen millones de toneladas por nuestras carreteras, a menudo, sin una distribución apropiada a la calzada y con una frecuencia excesiva. Por esta razón me gustaría destacar alguna de sus nefastas consecuencias:

  • La vegetación próxima a la calzada es la primera en sufrir los efectos negativos de estas sustancias. Por un lado, las altas concentraciones de cloruro lo convierten en un elemento tóxico, causando el dorado o quema de las hojas y, por otro, las altas concentraciones de sodio pueden afectar al crecimiento de las plantas al alterar la estructura del suelo, la permeabilidad y la aireación.
  • Una proporción importante de la sal es arrastrada por el agua de lluvia llegando a acuíferos, embalses, ríos, humedales, etc. Esto provoca un aumento drástico del riesgo de contaminación de delicados ecosistemas e incluso en muchos casos, del agua que bebemos.
  • La sal afecta en gran medida a la salud de la fauna silvestre desde dos puntos de vista: por las graves consecuencias de su consumo dada su toxicidad, en especial las aves, y por la frecuencia de atropellos, dado que la sal atrae a los animales para su ingestión.
  • Otro punto que apenas tenemos en cuenta es el suelo, a pesar de que su degradación es un problema grave para Europa. La sal reduce la estabilidad del suelo, modifica su conductividad eléctrica, disminuye su pH y en general, perjudica seriamente su fertilidad.

Como podemos ver, el impacto medioambiental de estas sustancias es muy grande, por lo tanto, deberíamos tratar de hacer un esfuerzo para minimizar su efecto, utilizando toda la tecnología que esté a nuestro alcance para conseguir un mantenimiento invernal menos agresivo.

Una solución parcial sería poder medir en tiempo real la cantidad de fundentes en cada punto de la carretera, no solo en un punto fijo. Esto solo se conseguiría embarcando los sensores en los vehículos de intervención y mantenimiento. En la actualidad existen algunos sistemas en fase de desarrollo que miden la salpicadura de la rueda, midiendo el índice de refracción del agua (Japan Highway Public Corporation) o la conductividad eléctrica (Universidad de Connecticut). Dados sus resultados, en ningún caso han sido incorporados al mercado.

En CARTIF, con la colaboración de la empresa Collosa, estamos investigando el desarrollo de este producto. Nuestros principales objetivos son evitar esparcir más sal cuando las cantidades actuales son suficientes, echar solo la cantidad necesaria en el lugar preciso que lo necesite (dado el sistema de posicionamiento global de estos dispositivos) y dotar al responsable del mantenimiento invernal de una herramienta objetiva sobre la que basar sus decisiones de intervención.

En CARTIF apostamos por una solución definitiva que evite, en lo posible, dispersar los fundentes. Si conseguimos atacar a tiempo el problema en los puntos más peligrosos, previniendo y evitando la formación de hielo, evitaremos la salida del camión para cubrir de fundentes dichos puntos. Además, esta salida no solo cubrirá los puntos peligrosos, sino que, ya que sale, esparcirá los fundentes por toda la carretera.

Esta solución es el desarrollo de un suelo radiante más económico con mayor eficiencia energética, basado en energía geotérmica. Para ello es fundamental el desarrollo de una predicción inteligente que evite la formación del hielo y se base en el empleo de nuevas mezclas bituminosas.

Sin lugar a dudas, esto supondrá una reducción importante del impacto medioambiental que supone la vialidad invernal de nuestras carreteras y en particular, en los puntos más delicados de nuestra geografía como los parques naturales.

Carreteras con suelo radiante

Carreteras con suelo radiante

Todos conocemos el gran esfuerzo que realizan las autoridades para reducir los accidentes. Pero, a pesar de ello, existen factores incontrolables como la formación de hielo sobre la superficie de la calzada.

Para afrontar este problema cada comunidad autónoma emplea su propio protocolo de vialidad invernal, que consiste en definir las zonas y épocas de mayor riesgo, coordinando los distintos medios para combatir el hielo con toneladas de fundentes (sal, salmuera, etc.). La principal consecuencia de este procedimiento es su considerable impacto medioambiental.

¿Qué pasaría si propusiéramos calentar las carreteras con suelo radiante? La respuesta sería unánime: ¡es inviable, el coste es altísimo! Pero si dijéramos: se podrían salvar muchas vidas y podríamos reducir el uso de fundentes, la cosa cambiaría. Por lo tanto, el reto que tenemos por delante es definir soluciones de calentamiento puntuales en las zonas más peligrosas de las carreteras, donde la posibilidad de salvar vidas es mayor, y en las zonas con un ecosistema más sensible, donde los productos fundentes son más dañinos.

Calentar la calzada mediante suelo radiante no es una solución nueva.  Ya existen soluciones similares aplicadas en grandes puentes y aeropuertos, cuyo elevado coste no es un impedimento para su implantación. En general, estas soluciones son muy caras, tanto en su fase de desarrollo como en su fase de funcionamiento. Su objetivo es derretir el hielo a base de emplear grandes cantidades de energía.

Por lo tanto, el siguiente reto que tenemos por delante es conseguir un sistema más económico y con una eficiencia energética mayor. Esto sólo se podrá alcanzar si se aborda el problema desde distintos frentes.

Para empezar el punto clave es evitar la formación del hielo, reduciendo así drásticamente la cantidad de energía necesaria para derretirlo. Pero ¿cómo? Desarrollando algoritmos inteligentes predictivos que nos indiquen la probabilidad de formación de hielo a corto plazo. Estas técnicas deberán basarse en un buen sistema de monitorización que permita conocer las condiciones climatológicas a pie de carretera, así como las condiciones de temperatura en el interior del asfalto, generalmente mediante sensores embebidos en la mezcla bituminosa. Esta monitorización se tiene que centrar en los parámetros reales que influyan en la formación del hielo sobre la superficie de la calzada.

Otro punto importante en el que hay que profundizar es en las mezclas bituminosas empleadas en la calzada, tanto desde el punto de vista del ligante como de la mezcla.

Se buscan ligantes que minimicen el impacto de las bajas temperaturas en las prestaciones de las mezclas, garantizando así un buen comportamiento, y que a su vez tengan propiedades fundentes. Para ello se emplean betunes modificados con polímeros y betunes mejorados con caucho. Parámetros de la mezcla como los huecos serán otro factor a tener en cuenta en el diseño de estas instalaciones.

El siguiente factor por decidir es la fuente de energía que tendrá que realizar el aporte calorífico al fluido de la instalación. Comenzar a calentar el asfalto antes de que se produzca la formación del hielo implica que los requisitos energéticos sean menores que los necesarios para derretir el hielo. Esto permite que la energía geotérmica sea una firme candidata.

Por último, hay que definir las características y distribución de los tubos, el dimensionamiento de la instalación, los espesores de las mezclas y otros muchos factores que se deberán incluir en la fase de redacción del proyecto constructivo de una carretera.

Todo ello bajo las fuertes restricciones impuestas por los factores constructivos y los requisitos de confort en la conducción.

En CARTIF trabajamos en estas líneas de investigación con el fin de alcanzar este objetivo. En colaboración con Eiffage, Euroestudios, Cepsa y la Universidad de Oviedo, hasta el momento los resultados obtenidos son muy esperanzadores.