Integración de Vídeo Streaming en la Teleoperación del AmigoBot

1. Introducción

La tecnología busca solucionar problemas y necesidades individuales y colectivas del ser humano mediante la construcción de sistemas técnicos. Resulta indudable la aceleración que se ha producido en el desarrollo tecnológico durante el siglo XX y XXI.
Algunos de los avances más significativos se pueden observar en el ámbito de la telefonía, construyendo dispositivos móviles cada vez más potentes y ligeros. Este hecho junto al desarrollo y avance de la robótica, que es la ciencia que se ocupa del estudio, desarrollo y aplicaciones de los robots, forman las bases del proyecto que aquí se presenta.
En el ámbito de los dispositivos móviles existen grandes plataformas como son Windows Phone OS, Android e iOS y en este proyecto se ha optado por trabajar con el sistema y dispositivos iOS de Apple, ya que son considerados uno de los más extendidos y potentes en el mercado actual.

2. Resumen

El principal objetivo del proyecto es implementar un software que permita la navegación de un robot Amigobot a través de códigos QR mediante el uso de dispositivos iOS. Esto se realiza gracias al envío de las imágenes, capturadas por una cámara conectada al PC Debian que controla al robot, al dispositivo iOS que realizará un tratamiento de dichas imágenes.

El software de este dispositivo iOS sirve como interfaz de usuario, permitiendo controlar al robot mediante un joystick situado en la pantalla táctil para dirigirlo hacia algún código QR y leer su contenido a través del tratamiento de las imágenes de la webcam. En caso de que dicho QR contenga una dirección, el robot de manera autónoma, se dirigirá hasta la posición indicada utilizando un sistema de localización basado en la odometría de las ruedas del robot. Además, para salvar o remediar en cierta medida los grandes errores de la odometría, se realiza un segundo tratamiento de las imágenes recibidas para situar al robot siempre en una posición centrada que le permita leer el siguiente código QR.

Esto puede derivar en una gran cantidad de utilidades en múltiples y diferentes ámbitos. Por ejemplo, podría emplearse en el área de vigilancia y seguridad como cámara móvil, es decir, el robot realizaría la navegación mediante QR mientras que el guardia observa el recorrido a través del dispositivo, pudiendo teleoperar en caso de que observara algo extraño. También podría utilizarse para que el robot (en una oficina o museo) guiara al usuario hasta un despacho o escultura. Éstas son sólo algunas ideas y aplicaciones útiles del proyecto.

3. Conceptos teóricos

Un código QR (quick response code) es un sistema para almacenar información en una matriz de puntos o un código de barras bidimensional creado por la compañía japonesa Denso Wave en 1994.
La odometría es el estudio de la estimación de la posición de vehículos con ruedas durante la navegación, es decir, son las técnicas de posicionamiento que emplean la información procedente de la rotación de las ruedas para obtener una aproximación de la posición real en la que se encuentra un sistema móvil, en un determinado instante y respecto a un sistema de referencia inicial.
En general, son suficientes tres parámetros (X, Y, θ) para conocer la posición de un sistema móvil:

- La posición respecto al eje X que para nuestro robot es el eje vertical.

- La posición respecto al eje Y que en el caso del robot es el eje horizontal.

- La orientación del robot Th o θ que indica el ángulo hacia el que se encuentra orientado.

4. Técnicas y herramientas

4.1 Lenguajes de programación

Objective-C, es un lenguaje de programación orientado a objetos creado como un superconjunto de C para que implementase un modelo de objetos parecido al de Smalltalk. Originalmente fue creado por Brad Cox y la corporación StepStone en 1980. Actualmente se usa como lenguaje principal de programación en Mac OS X, iOS y GNUstep. Este lenguaje ha sido utilizado para desarrollar la aplicación QrNav para dispositivos iOS.
C++, es un lenguaje de programación diseñado a mediados de los años 1980 por Bjarne Stroustrup. La intención de su creación fue extender al exitoso lenguaje de programación C con mecanismos que permitan la manipulación de objetos. Este lenguaje ha sido el empleado para el desarrollo del servidorQrNav para Debian.

4.2 Herramientas

Los frameworks de Cocoa Touch de Apple, nos sirven para la implementación de la aplicación en dispositivos iOS y están escritos en Objective-C. Su IDE, XCode 4, cuenta con importantes mejoras con respecto a sus predecesores.
La biblioteca ARIA (Advanced Robot Interface for Applications) de MobileRobots, se utilizará para el desarrollo del servidor que transmitirá las órdenes al Amigobot. Esta biblioteca está escrita en C++.
El programa MJPG-Streamer para distribuciones Linux, que utilizaremos de servidor para que obtenga las imágenes de la webcam y las transmita a través de HTTP (Hypertext Transfer Protocol, «protocolo de transferencia de hipertexto») al cliente.
La biblioteca OpenCV (Open Source Computer Vision), nos servirá para realizar el tratamiento de las imágenes recibidas en el iPhone. La biblioteca está escrita en C++, aunque en el proyecto está adaptada a Objective-C para poder usarla en la programación de dispositivos iOS.
La biblioteca Zxing, nos servirá para realizar la decodificación de los códigos QR en el iPhone. Está escrita para varios lenguajes, entre ellos Objective-C.
Amigobot de MobileRobots es el pequeño robot que controlaremos remotamente. Cuenta con la misma arquitectura que plataformas más grandes, las librerías ARIA y SONARNL14, pero simplificada y optimizada.

5. Aspectos relevantes del desarrollo

Arquitectura Cliente-Servidor, el proyecto exige la separación en tres partes:

- La aplicación QrNav, que puede ejecutarse en cualquier dispositivo iOS.
- El programa que controla al Amigobot (ServidorQrNav), es decir, que envía las órdenes al robot usando el API de ARIA y que está implementado en una máquina Debian.
- Programa MJPG-Streamer, servidor que transmite el flujo imágenes a través de HTTP.
Diagrama de clases:
Protocolo de comunicación, se ha creado un protocolo propio para la comunicación constante entre el servidor de imágenes, que se encuentra en el ordenador que controla el Amigobot, y el cliente iOS.
Algoritmo que gestiona la ejecución, se encarga de administrar todo lo que ocurre en la vista de los mandos. Entre sus funciones se encuentran:
- Mostrar las imágenes recibidas en pantalla.
- Decodificar el código QR de la imagen cuando sea necesario.
- Realizar el algoritmo de colocación para la obtención de los parámetros área y Pto.
Navegación QR, consiste en dirigir al robot mediante los controladores desde la posición en la que se encuentra hasta la dirección de navegación (X, Y, Th) de manera autónoma. Dicha navegación es llevada a cabo por un hilo y realizada en forma de L.

Controlador de avance, es un perfil de velocidad que mueve al robot en los eje X o Y la distancia a recorrer, dividiéndola en tres fases:

Fase de aceleración:
El robot va acelerando hasta la velocidad máxima
Fase constante:
El robot se mueve a velocidad máxima
Fase de deceleración:
El robot va decelerando hasta llegar a su destino

Controlador de giro, es un perfil de velocidad cuya función consiste en girar al robot hasta la orientación (Th) que recibe como parámetro y decidir si debe girar a la derecha o izquierda para llegar hasta ella. Tiene el mismo funcionamiento que el anterior pero difieren en que debe comprobar si debe el giro debe pasar por 180º y cómo realizarlo.
Colocación QR, consiste en colocar al robot en un posición centrada y a una distancia apropiada para poder leer el QR, mediante el área y punto medio del cuadrado rojo recibidos:
- Desplazar al robot hacia izquierda o derecha para centrar el cuadrado (Pto. Medio ϵ [240-400] píxeles)

- Acercar o alejar al robot para que se encuentra a una distancia entre 40-50 cm (Área ϵ [25000-40000] píxeles)