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Plataforma 1.- (Paper de GIS) Título: Sistema georeferenciador con brújula electrónica, RFid y GPS.
Autor: Ing. William Ernesto Camilo Reynoso, Msc. Docente & investigador del centro internacional de investigación CREA. Instituto Tecnológico de Las Américas ITLA. Santo Domingo, República Dominicana Abril 2008. Abstract. Los sistemas de información geográfica GIS, requieren entre otras cosas de plataformas automáticas para las funciones de georeferenciación o referenciación geográfica de lugares o entidades dentro de la cartografía de un lugar, provincia, o nación. Es nuestro interés desarrollar una plataforma inteligente que integre a una brújula electrónica, un GPS y un sistema de identificación por radio frecuencia RFid; para orientar a un sistema de información geográfica sobre sus coordenadas de latitud y longitud sobre un plano referenciado a la tierra. Esta plataforma incluye el uso de una brújula electrónica de precisión, la cual nos refiere al norte geográfico real y además nos permite el que su data se pueda disponer en formato analógico y digital. Nuestra plataforma de georeferenciación también integra a un sistema de posicionamiento global satelital GPS, este sistema es quien suple las coordenadas geodésicas de latitud y longitud, para poder hacer triangulación y calcular el lugar de un objeto, entidad o persona, la cual posea un dispositivo RFid radiando su identificación a través de ondas de radio. Toda la gestión de la integración y automatización se consigue utilizando (por ejemplo un microcontrolador tipo “Picaxe 40x” ó un PLC tipo “Melsec FX1S-14MR-ES/UL”); los cuales a través del uso de técnicas de Sistemas de control y servomecanismos, y de los controladores del tipo Proporcional Integral Derivativos (PID); controlan a la plataforma de manera eficiente y con bajo gasto de energía . La plataforma de esta manera se maneja con desplazamientos y movimientos óptimos, controlando de manera robusta: la velocidad de respuesta, la estabilidad y el par motor de los actuadores retroalimentados. La data obtenida a través de la plataforma se graba en una memoria eprom no volátil que puede accesarse desde el Sistema de Información Geográfica consolidado en un portal geomático al cual esta plataforma de georeferenciación tributa; para su posterior integración y manejo a distancia a través de la Web.
Desarrollo: En la figuras se presentan los circuitos en donde se integran la salida de la brújula electrónica, la salida del lector RFid y la salida de la tarjeta del GPS conectados al microcontrolador para la gestión georeferenciada de la cartografía o de un objeto. Toda la plataforma móvil de georeferencia se puede instalar en un vehículo o camión que se desplaza escaneando el objeto a encontrar. Dicho objeto lleva consigo una simple tarjeta ( tag) RFid ; la cual completa el sistema de triangulación radiométrica descrito mas adelante. De esta manera son las partes mas costosas como el lector RFid y la tarjeta GPS; las que se instalan en la plataforma móvil, con la brújula electrónica de efecto hall.
Fig. 1.- Sistema georeferenciador con brújula electrónica, RFid y GPS . ( Diseño del Autor )
Fig. 2.- ( detalle de la porción de la plataforma que orienta al norte geográfico). ( Diseño del Autor ) El GPS Se define como el sistema de posicionamiento global de objetos sobre la tierra a través de la telemetría y triangulación de varios satélites geoestacionarios de una red de 24 dispuestos para tal fin.
El fundamento del GPS está en determinar la situación del móvil respecto del satélite mR conocidas la trayectoria y la ley del movimiento, mediante las
ecuaciones de la dinámica del satélite sR , la posición vendrá dada por la
diferencia: s mR R R= − .
Para determinar mR , el satélite transmite continuamente dos señales en la banda L moduladas con un código, para la determinación de la distancia, y un mensaje de navegación. Si conociéramos la distancia a un solo satélite, el lugar geométrico donde se encontraría localizado el móvil sería una esfera; si conociéramos la distancia a dos satélites, el lugar geométrico sería una circunferencia, y si fuesen tres las distancias conocidas, el lugar geométrico sería uno, o dos puntos, uno de los cuales se rechaza por estima. Si los satélites y el móvil estuviesen sincronizados en tiempo, el problema matemático se vería reducido a un problema de tres ecuaciones con tres incógnitas, pero como generalmente no ocurre así, aparece una nueva incógnita dada por el desplazamiento del reloj del móvil; así pues una nueva medida a un cuarto satélite será necesaria, con lo que el problema queda reducido a resolver cuatro ecuaciones con
cuatro incógnitas. Como el reloj del receptor no está sincronizado al reloj del satélite, cada medida de distancia tiene un error, por lo que esta distancia es conocida con el nombre de “ pseudodistancia”. Psudodistancia= ( ) tan . ( . )r tt t dis cia c error del reloj− = + Si la variación de distancia es medida por el receptor, podemos calcular también la velocidad . La posición del móvil vendrá dada por:
( ) ( )2 22( ) ( ) .a i a i a i a aR i X X Y Y Z Z c t = − + − + − + ∆
Donde: c= velocidad de la luz
at∆ = polarización del reloj de la astronave, vehículo o persona terrestre. i = 1,2,3,4,… * Sistema de las cuatro ecuaciones simultaneas necesarias para resolver el problema del GPS:
Fig.3.- Red de los 4 satélites precisados para establecer el GPS
Fig. 4.- Sistema de ecuaciones simultáneas para solución del GPS
* Datos sobre la Constelación GPS:
• Altitud : 20,238 km • Período orbital: 12 hrs • Plano orbital : 55 grados • Satélites por plano: 4 • Tamaño de la constelación: 24 satélites. • Número de planos:6
Fig.5.- Esquemas sobre el sistema del posicionamiento global por satélite GPS
Fig.6.- La interferometría en el espacio
Fig.7.- Principios de funcionamiento del GPS
Fig. 8.- Diagrama simplificado y medidas fundamentales para el sistema GPS
Fig. 9.- Medidas fundamentales del sistema GPS
Fig.10.- Espectros de los códigos de transmisión y recepción del GPS
Tabla 1 Referencia para la precisión de las medidas codificadas para el GPS
Fig. 11.- Aplicaciones espaciales del GPS y la red global internacional del GPS
Fig. 12.- Investigaciones actuales sobre el GPS
Fig. 13.- Usos Civiles y aplicaciones de GPS El RFID Identificación por Radiofrecuencia RFID es la tecnología que permite la captura de datos existentes en una etiqueta mediante la utilización ondas de radio, sin que sea necesaria una línea de visión entre el lector y la etiqueta. RFID ha permitido a muchas empresas lograr amplios niveles de automatización y control de los procesos de sus cadenas de abastecimiento. Esta tecnología, junto al Código Electrónico de Producto™ (EPC), hará posible el rastreo y seguimiento de productos en tiempo real permitiendo una casi perfecta "visibilidad" de la mercancía desde el almacén de materia prima hasta el punto de venta. El EPC de 96 bits se describe a continuación: 01.115AID7.28A1E6.421CBA30A 01 Versión del EPC 8 bits (256 versiones distintas)
115AID7 Identificador del Fabricante 28 bits (>268 millones de posibles fabricantes)
28A1E6 Identificador del Producto
24 bits (>16 millones de productos diferentes por fabricante)
421CBA30A Número de Serie del Artículo
36 bits (>64 millardos de artículos diferentes por producto)
Tabla 2 El código inteligente EPC
Tabla 3 proceso de seguimiento del artículo a través del RFID
Tabla 4 bandas de frecuencias para el RFID
Fig. 14.- Características del RFID Detalles:
• No penetra el agua
• Detalles de regulación (diferencias en frecuencias,canales, potencia y ciclos de trabajo )
• Detalles de regulación en Europa (similar banda 869 MHz requiere agile chip de frequencia)
950 - 956 MHz bajo estudio en Japan
UUHHFF 886600MMHHzz -- 996600MMHHzz
Ventajas: • Efectivo alrededor de metales • Las mejores frecuencias disponibles para
distancias de >1m • Tag size menor de 13.56 MHz • Antenas mas pequeñas • Rango: licencia para entre 20-40' con
rasonable sized tag (stamp to eraser size). Sin licencia 3-5 m.
• Buena comunicación non-line-of-sight (excepto para materials conductivos con pérdidas )
• Alto régimen de datos, grandes cantidadws de datos con zona de lectura controlada (a través de antenna directiva)
Fig. 15.- Componentes de un sistema RFID
Fig. 16.- Componentes de un sistema pasivo de RFID
Fig. 17.- Procesado de la data en el RFID
Sistema Pasivo del RFID
Image courtesy of Matrics Inc.
Image courtesy of Intermec Inc.
RFID Pasivo
Tuned Antenna
Microchip
No On-tag Power
• La señal de lectura energiza a la targeta• El lector comanda a la targeta • La targeta responde • El lector transmite la data de la targeta
para la aplicación
Fig. 18.- Sistema RFID activo
Fig.19.- Elementos de una targeta de RFID
Fig.20.- brújula electrónica de efecto hall
Fig. 21.- Detalles de los circuitos de la brújula electrónica
Fig. 22.- Sistema de plataforma de georeferencia ( Diseño del Autor )
Fig. 23.- Modelo matemático para el sistema de triangulación y trazado de la referencia geográfica. ( Diseño del Autor ) Modelo matemático del motor de la plataforma móvil de georenferenciación. El motor DC es modelado por el siguiente sistema eléctrico
Fig. 24.- Controlador PID análogo como opción de manejo de la plataforma móvil de georeferenciación.
Fig. 25.- Diagrama de un controlador PID tipo analógico
Fig. 26.- Diagrama de bloques funcionales del modelo matemático del motor dc que mueve la plataforma de georeferencia
Fig. 27.- Diagrama esquemático del circuito del motor dc de la plataforma Empleando la ley de Kirchhoff se tiene
Eq 1
Si Lm<<Rm la corriente se determina por
Eq 2
Como el voltaje se puede expresar como una función de la velocidad y reemplazado en la ecuación 1:
Eq 3
La ecuación mecánica que modela motor en el rotor
Eq 4
Donde : es la carga vista a través de los engranajes y es la eficiencia de la
caja de engranajes. Aplicando la segunda ley de Newton en la carga
Eq 5
Sustituyendo 4 en 5
Eq 6
Teniendo las relaciones y Se puede escribir 6 como
Eq 7
Incluyendo las ecuaciones eléctricas del sistema se obtiene
Eq 7 Donde:
Empleando los parámetros de la planta
El control diseñado se puede analizar a nivel de simulación por medio de simulink.
Fig. 28.- Simulación en simulink de MatLab de la planta conformada por el modelo matemático del motor dc de la plataforma de georeferenciación.
En la gráfica (a) (control proporcional) se observa como se puede eliminar la sobreoscilaci ón disminuyendo Kp, pero a costa de aumentar el error de posición. En la (b) (control PD) sigue habiendo error de posición, pero, a igualdad de dicho error (es decir, para la misma Kp) el sistema oscila menos. En el caso mostrado en (c) (control PI) el integrador libre del controlador anula el error de posición, pero no evita la sobreoscilación. La mejor alternativa (caso (d)) es el uso de un controlador PID, con los parámetros apropiadamente
ajustados (respuesta en línea contínua) para la cual se alcanza la posición deseada sin sobreoscilaci ón, y en el mínimo tiempo posible. Aun cuando existen métodos apropiados para
el diseño de PIDs, obtener esta combinación no es sencillo, y en realidad, no existe un único
Fig. 28.- Repuestas a una función tipo escalón para cada parte del controlador PID
motor varía, por lo que sería necesario diseñar un controlador diferente para cada posición de partida y llegada. Esto hace que se suelan escoger parámetros "conservadores"(es decir, que tiendan más hacia el sobreamortiguamiento) aun cuando esto haga el funcionamiento del sistema más lento de lo que sería posible.
Fórmula para la determinación del torque o par (τ(t) ) de la articulación correspondiente a la plataforma móvil de georeferenciación. τ(t) = D[q(t)] q(t) + h[q(t),q(t)] + C[q(t)]
Fig. 29.- Control PID con todas las influencias externas ( coriolis, gravedad, etc)
Fig. 30.- Control monoarticular PD/PID para la plataforma móvil Conclusiones y trabajos futuros La investigación sobre elementos de punta en las telecomunicaciones es un activo de estremada importancia para el desarrollo de opciones que potencien nuevos descubrimientos y den aportes en tan importante rama de tecnología de nuestro mundo. El diseño de plataformas de automatización para las funciones de indicación georeferenciada es de gran importancia y pertinencia dentro del colectivo científico que posee destrezas en el área de la automatización y sistemas de control; ello como
elemento de sinergia entre las tecnologías modernas que tributan al buen funcionamiento de los Sistemas de Información Geográfica. Pretendemos con nuestro proyecto de diseñar y construir una interface operativa entre la tecnología RFID y el GPS en la WebGIS, poner un granito de arena para mejorar nuestro mundo el entorno y las condiciones en que lo vivimos los que nos ha tocado este momento y lugar histórico. Bibliografía
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Direciones del internet consultadas.