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VISIÓN ELECTRÓNICA AÑO 2 NÚMERO 2 MAYO DE 2008

CONTENIDO EDITORIAL

3

VISIÓN INVESTIGADORA comportamiento termico para cámara pcr 4 THERMAL BEHAVIOR FOR CAMERA PCR Ricardo Piraján Cantillo Carlos López P. ESTUDIO COMPARATIVO DE TÉCNICAS ARTIFICIALES PARA LA PREDICCIÓN DE UNA SERIE DE TIEMPO CAÓTICA 11 COMPARATIVE SURVEY OF TECHNICAL ARTIFICIAL FOR THE PREDICTION OF A CHAOTIC SERIES OF TIME Luís Fernando Pedraza Martinez Oscar Fabián Corredor Camargo Jairo Enrique Roa CONTROL DIFUSO ADAPTATIVO APLICADO A UN CONTROL DE VELOCIDAD ADAPTATIVE FUZZY CONTROL APPLIED TO A SPEED CONTROL Andrés Escobar Juan Arguello Gabriel Romero APRENDIZAJE DE LA FÍSICA EN PRESENCIA DE DISCAPACIDAD: MEDIDOR FOTOÓPTICO DE TIEMPOS PARA INVIDENTES LEARNING OF THE PHYSICS IN PRESENCE OF DISABILITY: PHOTOOPTIC METER OF TIMES FOR BLIND PEOPLE Alfredo Chacón García John Richard Velásquez Prieto

18

MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN UN SISTEMA MONOFÁSICO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO MENSURATION OF HARMONIC IN A MONOPHASIC SYSTEM: DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A PROTOTYPE Alfredo Chacón García – Carlos Javier Ruiz Moreno PROTOTIPO TELEOPERADO: UNA ALTERNATIVA EN SISTEMAS DE BÚSQUEDA DE PERSONAS PROTOTYPE TELEOPERATED: AN ALTERNATIVE IN SYSTEMS OF SEARCH OF PEOPLE Andrés Escobar – Johan Calderón Acero Ivonne Vanesa Parra Garzón

52

64

78

VISIÓN ACTUAL OFDM: “UNA BREVE PERSPECTIVA” OFDM: “A BRIEF PERSPECTIVE” Oscar Fabian Corredor Camargo Luis Fernando Pedraza Martínez – César augusto Hernandez S.

86

VISIÓN DE CONTEXTO 26

LOS CONJUNTOS BORROSOS,MODELACIÓN CUALITATIVA DE LA REALIDAD EN INGENIERÍA FUZZY SETS, QUALITATIVE MODELING OF THE REALITY IN ENGINEERING Jaime Francisco Pantoja Benavides - Harold Vacca González LA NUEVA DIDÁCTICA DE LAS CIENCIAS NATURALES Y LOS MODELOS CIENTÍFICOS THE NEW DIDACTIC OF THE NATURAL SCIENCES AND THE SCIENTIFIC MODELS Rosendo López González

VISIÓN DE CASO SOFTWARE PARA GESTIÓN Y ADMINISTRACIÓN DE IMÁGENES UTILIZANDO TECNOLOGÍA MULTIMEDIA GSM ® SOFTWARE FOR MANAGEMENT AND ADMINISTRATION OF IMAGES USING GSM ® MULTIMEDIA TECHNOLOGY Hermes Javier Eslava Edgar Javier Cruz López Juan Carlos Ramos Buitrago

AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS EN EL SECTOR PLÁSTICO: EL CASO DE UNA INYECTORA AUTOMATION OF PROCESSES IN THE PLASTIC SECTOR: THE CASE OF AN INJECTOR Alfredo Chacón García Jaime Leonardo Martínez Rodríguez Edgar Yesid Torres Castro

40

98

109

VISIÓN BIBLIOGRÁFICA LA EDUCACIÓN MATEMÁTICA: PROCESO CREATIVO COMPLEJO DE CARÁCTER SOCIAL Y CULTURAL 116 LINEAMIENTOS

121


h

VISIÓN ELECTRÓNICA

VISIÓN ELECTRÓNICA AÑO 2 NÚMERO 2 MAYO DE 2008

ay que avanzar hacia una nueva y arra sadora utopía de la vida, donde nadie pueda decidir por otros hasta la forma de morir, donde de veras sea cierto el amor y sea posible la felicidad, y donde las estirpes condenadas a cien años de soledad tengan por fin y para siempre una segunda oportunidad sobre la tierra

editorial

Gabriel García Márquez

Cuando emprendimos este proyecto editorial, continuado con este segundo

número, nos asociamos a un concepto educativo donde desarrollamos una más de las actividades tradicionales y propias de la educación superior, que consiste en el intercambio público escrito de ideas argumentadas, mediante las cuales se asegura que otros más de nuestros miembros adquieran la experiencia social histórica acumulada y culturalmente organizada para ser incluidos como personas integrales en una sociedad justa basada en el conocimiento científico y tecnológico. Estas premisas, entendemos, deben ser agenciadas por una nueva generación de mentes comprometidas con otras prioridades. En una feliz coincidencia, la Conferencia Regional de educación superior 2008, ha emitido una declaración donde llama a crear un Contexto de la Educación Superior basado en otro modelo de desarrollo, humano, integral y sustentable que valore nuestra diversidad y cuyo conocimiento científico y tecnológico sirva, entre muchas cosas, para la cohesión social y la promoción de una cultura de paz. Llama a considerar la educación superior como un derecho humano y bien público social, edificado en la autonomía como condición necesaria para, en libertad académica, poder determinar prioridades según los valores públicos que fundamentan la ciencia. Llama a ampliar la cobertura con estrategias como la diversidad, flexibilidad y articulación de la educación superior con todo el sistema educativo, colaborando en la formación de sólidas bases cognitivas y de aprendizaje en los niveles precedentes, para quienes ingresan cuenten con los valores, las habilidades, destrezas y capacidades para poder adquirir, construir y transferir conocimientos en beneficio de la sociedad. Reivindica el carácter humanista de la educación superior, en función del cual ella debe estar orientada a la formación integral de personas, ciudadanos y profesionales a través especialmente de un trabajo de extensión que colabore en detectar problemas para la agenda de investigación conjunta con distintos actores sociales, especialmente los más postergados. Llama a incrementar




la difusión y la divulgación del conocimiento científico y cultural a la sociedad, dando a los ciudadanos la oportunidad de participar en las decisiones sobre asuntos científicos y tecnológicos que puedan afectarlos directa o indirectamente, abriendo el sistema científico a la crítica social. Llama a consolidar las redes académicas a escala nacional y regional como interlocutores estratégicos ante los gobiernos y, asimismo, los indicados para articular de manera significativa identidades locales y regionales, y actuar en la superación de las fuertes asimetrías que prevalecen en la región y en el mundo frente al fenómeno global de la internacionalización de la educación superior. Y finalmente llama a la integración regional e internacionalización buscando el establecimiento de instrumentos de comunicación para favorecer la circulación de la información y el aprendizaje internacional mediante la cooperación de América Latina y el Caribe con las otras regiones del Mundo.

editorial

En este espíritu y considerando que el criterio transfronterizo de esta producción pasa por destacar los conocimientos y saberes de la Electrónica y las Telecomunicaciones, pero atravesados por las Ciencias Básicas y las Humanidades, presentamos once artículos, una reseña y una nota histórica; alimentando nuestras secciones: VISIÓN INVESTIGADORA: en esta oportunidad en las temáticas del los MEMS; las predicciones de eventos con técnicas artificiales; el control difuso; y la aplicación de la fotoóptica para discapacidad. VISIÓN DE CASO: en esta oportunidad en las temáticas de software en soporte multimedial; automatización de máquinas; Análisis espectral de armónicos; y la Teleoperación. VISIÓN ACTUAL, en esta oportunidad en la temática de OFDM. VISIÓN DE CONTEXTO: en esta ocasión abordando temáticas de modelación borrosa, y Didáctica de la Ciencias. VISIÓN BIBLIOGRÁFICA, esta vez con la temática de la Ideología y Matemáticas. Y por último VISIÓN HISTÓRICA, en esta oportunidad destinado a tributar un reconocimiento al creador de la WWW. En este número mostramos nuevos elementos, como los títulos de los artículos traducidos al Inglés, así como los lineamientos para los autores, en la búsqueda de ampliar el espectro de lectores, considerando el envío al exterior de un buen número de nuestro primer ejemplar, así como la visibilidad de la revista en eventos nacionales – como el congreso de Electrónica, Control y Telecomunicaciones organizado en la Facultad Tecnológica, el ISA show o el Congreso Nacional de Matemáticas. Esperamos que Visión Electrónica: Algo más que un estado sólido, consiga satisfacer y generar expectativas de un público receptivo y siempre atento a atender con aportes la convocatoria a hacer pública el uso de la razón; seguramente esto nos animará para continuar esta tarea sin prisa pero sin pausa. Revista Visión Electrónica




VISIÓN Clasificación del artículo: investigación

comportamiento termico para cámara pcr THERMAL BEHAVIOR FOR CAMERA PCR Ricardo Piraján Cantillo Carlos López P. 

Resumen El presente artículo muestra el procedimiento y los resultados obtenidos al realizar la simulación de una cámara de reacción para el proceso PCR (Polimerase Chain Reaction), mediante el cual se amplifica el DNA. Para realizar esta simulación fue utilizado el software para Análisis mediante Elementos Finitos (FEA, Finite Element Analysis) ANSYS®. Palabras clave 1

2

Ingeniero Electrónico de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Especialista en teleinformática de la Universidad Distrital, Msc. en Electrónica y Computadores de la Universidad de los Andes. Director del grupo de investigación INTEGRA adscrito al CIDC de la Universidad Distrital. e-mail: rpirajanc@udistrital. edu.co Ingeniero Electrónico de la Universidad Nacional. Msc. en Electrónica y Computadores de la Universidad de los Andes.

Introducción

PCR, DNA, ANSYS®, cámara de reacción,

Summary The present article shows the procedure and the obtained results when carrying out the simulation of a reaction camera for the process PCR (Polimerase Chain Reaction), by means of which the DNA is amplified. To carry out this simulation was used the software for analysis by means of finite elements (FEA, Finite Element Analysis) ANSYS®.

Key Words PCR, DNA, ANSYS®, reaction camera VISIÓN ELECTRÓNICA



El sistema reacción en cadena de la polimerasa PCR (Polimerase Chain Reaction) es una técnica muy poderosa que permite amplificar una secuencia específica de DNA millones de veces en muy pocas horas, esta técnica fue inventada por el Dr. Kary Mullis en 1983, por lo cual recibió el premio Nóbel de química diez años después. Básicamente el sistema consiste en tomar una cadena de ADN que se separa a una temperatura de 95ºC para después realizar un proceso de hibridización (annealing) a 72ºC por medio de la cual se une una pequeña molécula llamada primer a las cadenas separadas, posteriormente se


comportamiento termico para cámara pcr

realiza el proceso de extensión para formar dos nuevas cadenas de ADN. Este ciclo se repite varias veces y se tiene diferentes réplicas de ADN; en la figura 1 se muestra un ciclo completo del proceso. La figura 2 muestra el comportamiento que el sistema de control de temperatura debe generar en el líquido que contiene el ADN para obtener copias. Para lograr este propósito se utilizan calefactores y sensores de temperatura, de manera que se obtenga sistematicamente. La figura 3 muestra el sistema de control de temperatura de un sistema PCR.

1. Composición típica de un Chip PCR El chip está compuesto básicamente por tres partes importantes que son cámara de reacción, calefactores y sensores. En la figura 4 se muestra una configuración típica de una cámara de reacción para PCR.

VISIÓN INVESTIGADORA

Figura 1. Ciclo para obtención de copias de ADN

Figura 2 Ciclo de temperatura del sistema PCR

Denaturing Denaturing Enxtensio

Annealing

Figura 3. Sistema de control de temperatura PCR

Este chip consta de los siguientes elementos: cámara de reacción; en ella se coloca el fluido (polimerasa) la cual se someterá al proceso de calentamiento; calefactor, que se encarga de transmitir calor al fluido por medio de convección y sensores que son los encargados de verificar la temperatura del fluido. En [3], [4] y [5] se muestran las diferentes posibilidades de materiales y ubicaciones de los calefactores, sensores y cubierta de la cámara de reacción.

Figura 4. Chip PCR

1.1 Estructura de la cámara de reacción Inicialmente se limitó el proyecto a una estructura totalmente rectangular, no se colocaron sensores y se colocó en la parte




inferior de la cámara un calefactor de platino como lo muestra la figura 6.

Figura 5. Estructura para simulación

La figura 5 muestra la estructura final realizada para la simulación la cual consta de tres capas a las que se les asignaron las características físicas del Si, SiO2 y platino. El Si se utilizó para las paredes de la cámara; el SiO2 se utilizó para la tapas superiores e inferiores de la cámara, y el platino se utilizó para el calefactor. El tamaño de la estructura es 0.9 mm de ancho, 0.9 mm de largo y 0.1mm de alto, dentro de ella se creó la cámara de reacción con medidas 0.3 mm de largo, 0.3 mm ancho y 0.1 mm de alto; como tapas superior e inferior se utilizó un plano con un ancho de 0.01 mm, que será la parte encargada de aislar el calefactor y el ambiente del fluido; como calefactor se colocó una capa de 0.01 mm de alto la cual se encuentra bajo la cámara.

Figura 6. Distribución de Temperatura dentro de la cámara

Para simular un fluido se utilizó un material con propiedades similares a la del agua ya que para estas escalas los fluidos se comportan como ella.

2. Simulación y resultados Para obtener una simulación se llevaron a cabo tres fases diferentes. La primera fase consistió en realizar un análisis estático con la ubicación de un calefactor de platino en la parte inferior de la cámara, este modelo se utilizó para detectar la mejor ubicación de los sensores de temperatura. En esta primera simulación se observó que con un calefactor con esta forma el



Figura 7. Distribución de temperatura con tira de platino


comportamiento termico para cámara pcr

sistema tiene una inercia térmica grande ver figura 6. La segunda fase consistió en modificar el calefactor de platino para obtener respuestas más acordes a una aplicación real. En este caso se cambió el calefactor cuadrado de platino por una tira del mismo material de dimensiones más reducidas, se observó que el calentamiento del líquido no es el requerido, ya que presentaba calentamiento en el centro, y en los bordes cambiaba demasiado la temperatura, como se observa en la figura 7 y figura 8. Posteriormente se optó por cambiar el calefactor por uno en forma de U, de manera que se tuviera mejor distribución de temperatura en el líquido y una inercia térmica aceptable, ver figura 9. La tercera fase consistió en realizar un análisis con variación del voltaje aplicado en función del tiempo, para lograr la respuesta deseada por el sistema de control PCR. La figura 10 muestra la curva obtenida de variación del voltaje con respecto a temperatura obtenida en el sensor. Esta curva puede aproximarse de forma cuadrática mediante la ecuación T=19V2+9.8e-5V+30[ºC] obteniendo errores menores al 0.5%.

Figura 8. Distribución de temperatura en el líquido, debido a tira de platino (corte interno en el líquido)

Figura 9. Distribución de temperatura debida a calefactor en forma de U

Figura 10. Variación de la temperatura con respecto a voltaje aplicado

Las características de los materiales utilizados para realizar la simulación se encuentran en la tabla 1. Dentro de estas características se tienen en cuenta el calor específico, la conductividad térmica para todos los materiales y la resistencia eléctrica, especialmente para el material calefactor. Para tal efecto se utilizó el comando MP (Matrix properties) de ANSYS 8.0.®



VISIÓN INVESTIGADORA


Tabla 1. Características de los materiales

material

conductividad termica(W/ m·ºK)

calor especifico (J/kg·ºK)

resistividad eléctrica (Ω·m)

SI

157

700

10E-6

SiO2

1,4

1000

10E14

Pt

69,9

130

1,03E-06

H2O

0,58

4200

2.38E5

La obtención de resultados se logró realizando un acoplamiento secuencial de análisis físicos mediante ambientes físicos. El comando physics almacena, lee y lista toda la información de los elementos. La solución de cada ambiente físico se ejecuta por separado. Una vez se ejecuta la solución de un análisis físico los resultados son guardados y estos pueden ser empleados por el siguiente análisis como cargas. En el modelo, primero se resolvió el análisis eléctrico y con los resultados de este se resolvió el análisis térmico. Empleando el comando Ldread y la etiqueta hgen, se leen las pérdidas de energía por el efecto Joule y se emplean como una carga generadora de calor. En cada solución se definen los grados de libertad y las cargas de acuerdo al tipo de análisis físico que desea resolver. En el ambiente eléctrico solamente se ingresó la propiedad de resistividad para cada material, y los grados de libertad se establecieron en dos caras opuestas de la lámina de platino como una diferencia de potencial. Se busca que esta diferencia de potencial genere en el platino una densidad de corriente, la cual será empleada en la solución del siguiente ambiente físico como una carga.



Para el ambiente térmico se empleó el comando toffst para desplazar la escala de grados Kelvin en 273 grados, de esta forma la temperatura estará dada en grados Celsius. Para los materiales solo se definió la propiedad de conductividad térmica. Las cargas de convección se aplicaron directamente en los nodos de las áreas seleccionadas del material solid5. Este tipo de material permite que se apliquen cargas superficiales y por este motivo no se empleó el elemento de superficie surf152, también recomendado para este propósito. Para realizar el análisis se definieron grados de libertad de temperatura para los nodos de las áreas en las cuales no se aplicaron cargas. La solución de las ecuaciones de temperatura se resuelven empleando el comando fldata1 con la etiqueta temp, la cual indica el tipo de algoritmos de solución que se desea activar.

3. Análisis transiente Para poder realizar el ciclo de temperatura del proceso PCR (ver figura 2) se empleó el análisis transiente. Este consiste en realizar cambios a una variable (en nuestro caso voltaje) durante intervalos de tiempo, de manera que se pueda observar la respuesta de otra variable (temperatura) durante los mismos. Para realizar este análisis con ANSYS 8.0® seguimos el siguiente procedimiento: - Creación de los ambientes físicos - Establecer tipo de análisis con comando ANTYPE - Establecer los intervalos de tiempo utilizando TIME y sus respectivos subdivisiones mediante el comando DELTIM


comportamiento termico para cámara pcr

- Definir las cargas y los grados de libertad para cada paso; estas cargas deben ser almacenadas en archivos diferentes de manera secuencial

Figura 11. Distribución de temperatura dentro del líquido

- Para obtener la solución transiente en ANSYS debe indicársele mediante el comando LSSOLVE la secuencia a realizar.

4. Resultados Con la simulación del calefactor en forma de U se obtuvo una distribución de temperatura uniforme y una inercia aceptable para cambios de temperatura en el líquido, respondiendo en algunos segundos, como se muestra en la figura 11. Los sensores de temperatura se ubicaron en las paredes dentro de la cámara y reaccionaron adecuadamente mostrando una distribución de temperatura bastante uniforme y un tiempo de respuesta adecuado. En la figura 12 se muestra la distribución de temperatura en el sensor. Al realizar el análisis transiente se logró obtener la respuesta deseada con valores de 94ºC, 59 ºC y 70ºC con tiempos pequeños de respuesta y con facilidad de controlar la temperatura deseada, como lo indica la figura 13

Figura 12. Distribución de Temperatura en el sensor

Figura 13. Simulación transiente

Conclusiones ● Se utilizó el ANSYS® como herramienta de análisis y simulación, facilitando la experimentación de procesos, que de otra manera serían muy costosos; o difíciles de realizar. ● Se comprobó la flexibilidad del ANSYS® para realizar diferentes tipos de análisis como son el estático y el transiente.



VISIÓN INVESTIGADORA


● Los ambientes multifísicos se convierten en una herramienta que simplifica el código, permitiendo interactuar con dos o más magnitudes físicas diferentes para llegar a un resultado que depende de varias magnitudes. ● Se logró obtener un sistema con una respuesta rápida (algunos segundos) y

confiable, ya que el sensor capta adecuadamente la temperatura del líquido ● Finalmente, esta experiencia sirvió para identificar un lugar para la colocación de los sensores de temperatura y, en este caso, revisando el gradiente de temperatura, se puede observar que las paredes internas de la cámara son sitios adecuados.

Referencias bibliográficas [1] Norton, Harry. “Sensores y Analizadores”, Gustavo Gilli, España, 2002. [2] ANSYS Inc, “Thermal Guide”, Ayuda de ANSYS, 2005. [3] Hsu, Tai Ran, “Mems and Microsystems”, McGraw Hill, Singapore, 2002. [4] Chia-Yen Lee, et al, MEMS-based Temperature Control Systems for DNA Amplification, Department of Engineering Science, National Cheng Kung University, Tainan 701, Taiwan, 2006. [5] Gad-el-Hak, Mohamed, The MEMS HandBook, CRC Press, Cap 5, 2004. [6] Senturia, Stephen, Mycrosystem Design, Kluwer Academic Publishers, Massachusetts Institute of Technology, 2003.

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VISIÓN Clasificación del artículo: invetigación

ESTUDIO COMPARATIVO DE TÉCNICAS ARTIFICIALES PARA LA PREDICCIÓN DE UNA SERIE DE TIEMPO CAÓTICA COMPARATIVE SURVEY OF TECHNICAL ARTIFICIAL FOR THE PREDICTION OF A CHAOTIC SERIES OF TIME Luís Fernando Pedraza Martinez1 Oscar Fabián Corredor Camargo2 Jairo Enrique Roa3

Resumen En este artículo se presenta el procedimiento y el resultado principal de un estudio comparativo preliminar basado en el uso de dos herramientas de inteligencia computacional aplicadas en una tarea de predicción de una serie de tiempo caótica. El conjunto de datos de la serie viene del modelado del tráfico microscópico, de un automóvil a través de una sucesión de semáforos (Figura 1) presentado en [1]. Este estudio podría ayudar en el futuro para diseñar sistemas de predicción de tráfico macroscópico para controlar los períodos de congestionamiento vehicular. Los métodos de predicción de series de tiempo comparados fueron, el algoritmo ANFIS (Sistema de Inferencia Neuro-difuso Adaptativo) y otro basado en un algoritmo genético evolutivo. Luego se presentan y se analizan los resultados de este estudio, bajo el criterio de la suma del error al cuadrado y el tiempo de procesamiento requerido. Palabras clave

Inteligencia computacional, lógica difusa, algoritmos genéticos, fusificación, desfusificación, error al cuadrado, peso de cumplimiento.

Summary

In this article is showed both the procedure and the main result of a study comparative preliminary based

on the use of two tools of computational intelligence applied in a task of prediction of a chaotic series of time. The data set series comes from modeling the microscopic traffic, of an automobile through a succession of traffic lights (Figure 1) presented in [1]. This study could help in the future to design systems of prediction of macroscopic traffic to control the periods of vehicular jamming. The

VISIÓN ELECTRÓNICA

11

1

Ingeniero Electrónico Universidad Distrital, Msc. E. Teleinformática, de la misma Universidad; actualmente su campo de investigación está en modelos de control de tráfico vehicular. Docente de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y de la Universidad Cooperativa de Colombia. pedrazaluis2001@yahoo. es

2

Ingeniero Electrónico Universidad Distrital, Msc.E (c), actualmente investiga en modelos de tráfico multimedia en la Web. Docente de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y de la Universidad Cooperativa de Colombia. ofcca@ hotmail.com

3

Ingeniero Mecánico Universidad Nacional de Colombia. Especialista en automatización y vacío industrial. Director de investigaciones tecnológicas de la Corporación Tecnológica Industrial ColombianaTEINCO. jroaleon@ hotmail.com


Key Words Computational intelligence, fuzzy logic, genetic algorithms, fuzzification, defuzzification, error to the square, firing strength.

Introducción Predecir una serie de tiempo caótica con sistemas difusos, es algo difícil, ya que se busca la identificación de un modelo difuso óptimo [2]. Para resolver este problema, este estudio presenta un acercamiento para la construcción de un modelo difuso a partir de los datos caóticos de una señal, utilizando ANFIS y Algoritmos Genéticos. Uno de los métodos utilizados en este trabajo para la predicción de la serie de tiempo es el ANFIS, el cual consiste en un modelo para el aprendizaje neuro-difuso adaptativo. Esta técnica mantiene el método del modelado difuso y lo usa para aprender a partir de la información disponible sobre un conjunto de datos, estos últimos se usan para inicializar los parámetros de las funciones de pertenencia que permiten mejorar la inferencia del sistema difuso asociado, para enlazar los datos de entrada-salida. Este método de aprendizaje trabaja de forma similar a aquellos basados en redes neuronales, bajo el modelo Takagi–Sugeno [3]. Este pone a punto los parámetros de las funciones de pertenencia usando el algoritmo de entrenamiento

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Figura 1. Velocidad de un vehiculo a través de 209 semáforos Gráfica original

Velocidad (m/s)

compared methods of time series prediction were the algorithm ANFIS (System of Neural -Diffuse Inference Adaptative) and other based in an evolutionary genetic algorithm. Then the results were presented and analyzed, under the approach of the sum of the quadratic error and required machine processing time.

Número de Semáforos

propagación-hacia-atrás [4]. Este modelo es implementado para predecir la serie de tiempo caótica mostrada en la figura 1, la cual se logra sincronizando los 209 semáforos a una frecuencia específica. Los algoritmos genéticos aplicados al pronóstico de series de tiempo es algo que solo se ha implementado en los últimos años y es el segundo método utilizado en este trabajo para predecir la serie de tiempo caótica. El primer acercamiento al problema de la serie de tiempo que usa algoritmos genéticos es hecho en [5], en este la idea principal es encontrar las reglas de predicción de los datos de la serie de tiempo. Un algoritmo genético es un método de búsqueda dirigida basada en probabilidad bajo una condición muy débil (que el algoritmo mantenga elitismo, es decir, guarde siempre al mejor elemento de la población sin hacerle ningún cambio) se puede demostrar que el algoritmo converge en probabilidad al óptimo [6], siendo este criterio utilizado en el presente trabajo para modificar los parámetros de un modelo difuso como el utilizado en ANFIS.


ESTUDIO COMPARATIVO DE TÉCNICAS ARTIFICIALES PARA LA PREDICCIÓN DE UNA SERIE DE TIEMPO CAÓTICA

El software para la implementación de estas dos técnicas de predicción se desarrollo en Matlab®.

VISIÓN INVESTIGADORA

Figura 2. Arquitectura de la red neuro-difusa

1. Estructura del Anfis ANFIS tiene una estructura tipo red, similar al de una red neuronal la cual mapea las entradas a través de funciones de pertenencia y sus parámetros asociados, y luego a través de las funciones de pertenencia de la salida y los parámetros asociados a la salida, este sistema puede interpretarse como el mapeo entrada-salida. Los parámetros asociados a las diferentes funciones de pertenencia cambian a través del proceso de aprendizaje. La combinación de parámetros (o su ajuste) es realizada por un vector gradiente el cual provee una medida, que también ajusta el sistema de inferencia obtenido para él, modelando el conjunto de datos entrada-salida para un conjunto de parámetros dado. Una vez el vector gradiente es obtenido, cualquiera de las muchas rutinas de optimización podría ser aplicada con el fin de ajustar los parámetros así como para reducir la medida del error (definida en este caso por la suma del cuadrado de la diferencia entre el valor de entrada y el de la salida obtenida). Como se menciono anteriormente, ANFIS usa el algoritmo llamado propagación-hacia-atrás para estimar los parámetros de la función de pertenencia [4]. La estructura ANFIS aquí descrita es basada en el modelo Takagi–Sugeno, el cual según lo demostrado en [7], se puede representar como redes neuronales difusas de 5 capas. Este ejemplo de una red neuro-difusa de 5 capas se muestra en la Figura 2. La primera capa se utiliza para la fuzzificación de las entradas. En la segunda capa, se calcula el peso de cumplimiento de las reglas difusas. La tercera capa es la capa de normalización.

En la cuarta capa, los valores de las reglas de los consecuentes son calculados y multiplicados por el peso de cumplimiento de las respectivas reglas y la quinta capa realiza la desfuzzificación [8]. Para este caso de estudio, se utiliza en el entrenamiento del modelo neuro-difuso dos muestras anteriores (y(k-1) y y(k-2)) de la señal a predecir (y(k)) por lo tanto se tienen dos universos de entrada (y(k-1) y y(k-2)) donde cada uno posee dos conjuntos sigmoidales (mf1 y mf2) y un universo de salida (u(k)) con 4 conjuntos lineales de salida (mf1,mf2,mf3 y mf4) (Figura 3). Esto permite ajustar a su vez las siguientes reglas: SI y(k-1) es mf1 y y(k-2) es mf1 ENTONCES u(k) es mf1 (1) SI y(k-1) es mf1 y y(k-2) es mf2 ENTONCES u(k) es mf2 (2) SI y(k-1) es mf2 y y(k-2) es mf1 ENTONCES u(k) es mf3 (3) SI y(k-1) es mf2 y y(k-2) es mf2 ENTONCES u(k) es mf4 (4)

Figura 3. Sistema ANFIS basado en el modelo Takagi–Sugeno

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1.1 Algoritmo de entrenamiento “propagación-hacia-atrás” A continuación se realiza una breve descripción del algoritmo utilizado para el entrenamiento de los parámetros de las funciones de pertenencia: Dado un par de parejas de entrenamiento (5) Paso 1: Inicialice pesos y puntos iniciales con pequeños valores aleatorios. Paso 2: Presente un nuevo vector de entrada y de salida deseada. Presente el nuevo vector de entrada y la correspondiente salida deseada . Calcule la salida real. Paso 3: Calcule el error del gradiente. Paso 4: Adapte los pesos de los vectores y las condiciones iniciales:

(6)

Donde

(7)

Paso 5: Repetir, regresando al paso No.2 [9].

1.2 Algoritmo genético evolutivo El desarrollo de algoritmos genéticos se basa en el análisis del proceso evolutivo del medio ambiente, el cual para los seres vivos ocurre a partir del gen. El gen es la unidad básica hereditaria. Un ensamble de genes encriptado como una cadena de moléculas de ADN (ácido desoxirribonucleico)

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establece el llamado genoma humano. El genoma humano contiene cerca de 35000 genes. La constitución particular de un gen es llamado el genotipo. La manifestación del genotipo es el fenotipo, la cual presenta las características del individuo. Los seres vivos sufren cambios genéticos motivados normalmente para poder sobrevivir en una naturaleza cambiante y exigente. Los algoritmos genéticos son el resultado de un esfuerzo para modelar los fenómenos de adaptación que se presentan tanto en los sistemas naturales como artificiales. El termino “adaptación” puede ser visto como una composición de tres componentes palabras “ad + adaptare + ción” significando con ello “Ajustarse/Acoplarse a” y “Proceso” con lo cual se quiere involucrar una modificación progresiva de alguna estructura o estructuras. La observación cuidadosa y metódica de las modificaciones estructurales sucesivas generalmente revelan un conjunto básico de modificadores estructurales u operadores. La acción repetida de estos operadores explica la secuencia de las modificaciones observadas [9]. El diagrama de flujo del algoritmo genético utilizado en este caso de estudio [10], se muestra en la figura 4, en el cual se genera una población inicial de individuos aleatoria, los cuales se evalúan, seleccionan y reproducen, a través de 200 generaciones, para establecer una nueva población con mejores características. Para esta técnica se utiliza el alfabeto binario y la población corresponde al conjunto de parámetros de las funciones de pertenencia sigmoidales de los universos de entrada y(k-1) y y(k-2) y de las 4 funciones de pertenencia del universo de salida u(k). Las reglas utilizadas son las mismas de ANFIS (1), (2), (3) y (4).


ESTUDIO COMPARATIVO DE TÉCNICAS ARTIFICIALES PARA LA PREDICCIÓN DE UNA SERIE DE TIEMPO CAÓTICA

Figura 4. Diagrama de bloques del algoritmo genético

2. Resultados experimentales

VISIÓN INVESTIGADORA

Para dar validez a los métodos, se realizó la implementación de estos en el software Matlab®, aquí se tomó la serie caótica original y(k) mostrada en la figura 1 y se calculó el error entre esta y la serie pronosticada por cada método, para esto se utilizó el concepto de la suma del error al cuadrado 2 k k ∧  (9) ∑0 e(k ) =∑0  y(k ) − y(k )  También se tuvo en cuenta el tiempo de procesamiento utilizado por cada método para predecir la serie. 2.1 Prueba realizada con el método ANFIS

En este proceso, se escogió una población (N) de 20 individuos ya que según [11], para un alfabeto binario se debe tener una población mínima de:

N ≈ [1 + log(− / ln P2* ) / log 2] ≈19 19 individuos individuos (8) Donde P2* = 99.9% es la probabilidad de que por lo menos un alelo (formas variantes de un gen) esté presente en cada sitio, logrando ser encontrado y l es la longitud del conjunto. Como se necesita manejar 2 parámetros por cada conjunto sigmodal de entrada (dos conjuntos por entrada) y son dos entradas se tiene entonces 8 parámetros por manejar, más los 12 parámetros de los 4 conjuntos lineales del universo de salida, para un total de 20 parámetros. El tamaño de cada fenotipo se escogió de 8 bits ya que es un alfabeto binario, por lo tanto la longitud total del conjunto de parámetros es de l =160 bits.

En este método se obtuvo la y un tiempo de procesamiento de 1.281 segundos, en la figura 5 se puede ver la tendencia de la serie pronosticada con respecto a la serie original, y en la figura 6 se observa la diferencia (error) entre estas.

Figura 5. Serie original (azul) Vs. Serie estimada (verde) por ANFIS

A continuación se presenta la comparación de los dos métodos de predicción.

15


Figura 6. Diferencia entre la serie original y la pronosticada por ANFIS

2.2 Prueba realizada con el método del algoritmo genético

Figura 7. Serie original Vs. Serie estimada por algoritmos genéticos

Figura 8. Diferencia entre la serie original y la pronosticada por algoritmos genéticos

Para el desarrollo de este77.562 algoritmo se utilizó: • Número de generaciones: 200 • Número de individuos: 20 • Longitud del conjunto: 160 • Valor de presión de selección: 2 • Porcentaje de elitismo: 10% • Probabilidad de cruce: 0.8 • Probabilidad de mutación: 0.04 1182.1 y un tiempo Lo cual arrojo una ∑ e(k ) = 780.9258 0 de procesamiento de 177.562 segundos. La gráfica de la serie original contra la predecida por este algoritmo se observa en la figura 7 y el error producido por la diferencia de estas se muestra en la figura 8. k

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Conclusiones ● Durante el desarrollo de las pruebas de los métodos se determinó que la predicción basada en el método ANFIS ofrece una mejor representación de la señal


ESTUDIO COMPARATIVO DE TÉCNICAS ARTIFICIALES PARA LA PREDICCIÓN DE UNA SERIE DE TIEMPO CAÓTICA

original, y esto se ve reflejado a su vez en la menor suma del error al cuadrado. Sin contar que el tiempo de procesamiento es 138 veces menor que el utilizado por el algoritmo genético. ● Tomando tres muestras anteriores a la de la serie caótica original, se logra tener una mejor representación de la serie de tiempo, aunque el costo computacional aumenta exponencialmente en el método de algoritmos genéticos.

● La sencilla manipulación de sus parámetros, convierte a los sistemas difusos en una excelente herramienta para predecir series de tiempo caóticas. ● El uso de la computación evolutiva para la predicción de series de tiempo caóticas, se vuelve un instrumento de aplicación fundamental para sistemas que no se pueden modelar matemáticamente de manera sencilla, como lo son los sistemas de tráfico vehicular.

Referencias bibliográficas [1] Toledo B.A., V. Muñoz, J. Rogan, y C. Tenreiro. Modeling traffic through a sequence of traffic lights, Physical Review, 2004. [2] J.J.R. Jang, C.T. Sun. Predicting chaotic time series with fuzzy if-then rules, IEEE International Conference Fuzzy System., 1993. [3] T. Takagi, M. Sugeno, Fuzzy identification of system and its applications to modeling and control, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Vol. 15, 1985. [4] J.-S. R Jang. ANFIS: Adaptive-Network-based Fuzzy Inference Systems, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Vol. 23, 1993. [5] T.P. Meyer, N. H. Packard. Local Forecasting of High-Dimensional Chaotic Dynamics, Nonlinear modeling and forecasting. Addison-Wesley, 1991. [6] M. Melanie. An Introduction to Genetic Algorithms, MIT Press, 1998. [7] J.-S. R. Jang, C.-T. Sun, E. Mizutani. Neuro-Fuzzy and Soft Computing-A Computational Approach to Learning and Machine Intelligence, Prentice Hall, 1997. [8] Z. Li, W. Halang, G. Chen. Integration of Fuzzy Logic and Chaos Theory, Springer, 2006. [9] S. Zak. Systems and Control, Oxford University Press, 2003. [10] M. Melgarejo. Apuntes de clase Sistemas Expertos e Inteligencia Artificial, Maestría en Ingeniería Industrial, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2006. [11] C R. Reeves, J E. Rowe. Genetic Algorithms: Principles and Perspectives Guide to GA Theory, Kluwer Academic Publishers, 2002.

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VISIÓN INVESTIGADORA


VISIÓN Clasificación del artículo: investigación

CONTROL DIFUSO ADAPTATIVO APLICADO A UN CONTROL DE VELOCIDAD ADAPTATIVE FUZZY CONTROL APPLIED TO A SPEED CONTROL Andrés Escobar1 Juan Arguello2 Gabriel Romero3

Resumen En este artículo se da a conocer la técnica de control adaptativo FRMLC, aplicada a controladores difusos con el fin de ajustar su base de reglas de forma que un sistema se comporte de acuerdo a un modelo de referencia. Esta técnica es aplicada al control de velocidad de un automóvil, el cual esta sujeto a perturbaciones que afectan su dinámica. Palabras clave 1 Ingeniero Electrónico de la Universidad Distrital Francisco José de caldas, Msc. En Automatización de la Universidad de los Andes. Docente de planta adscrito a la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital, director del grupo de investigación en Control ORCA. andresescobar@ gmail.com 2 Tecnólogo en Electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. 3 Tecnólogo en Electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Control Difuso, FRMLC, DFL, Sistemas LVT.

Summary

In this article is given to know the technique of adaptive control FRMLC which is applied to diffuse controllers in order to adjust its base of rules so that the system behaves according to a reference model. This technique is applied to the control of speed of an automobile, which is subject to interferences that affect its dynamics.

Key words

Diffuse Control, FRMLC, DFL, Systems LVT. VISIÓN ELECTRÓNICA

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Introducción Los sistemas de control difuso son ampliamente usados para el control, identificación de sistemas y reconocimiento de patrones. Para lograr maximizar su desempeño es necesario aplicar una optimización del diseño mediante la variación de parámetros ajustables. Esta optimización se puede llevar acabo de dos maneras siendo la primera de ellas una forma manual llevada a cabo por un diseñador quen, basándose en su conocimiento del sistema y mediante la observación de su desempeño, puede realizar ajuste en los parámetros para así conseguir una


CONTROL DIFUSO ADAPTATIVO APLICADO A UN CONTROL DE VELOCIDAD

mejor respuesta. La segunda forma es usar un sistema que adapte el controlador a la dinámica de la planta, teniendo en cuenta que la definición de adaptación es cambiar así mismo ajustando el comportamiento a una nueva circunstancia. Esto implica que el sistema se debe encontrar en capacidad de formular leyes que especifiquen cuales son las modificaciones que se deben realizar con el fin de mejorar su comportamiento. Un sistema adaptativo tiene la gran ventaja de permitir que en todo momento se evalúe el comportamiento del sistema, haciendo posible que se puedan contrarrestar cambios en su dinámica debido a variaciones en los parámetros de la planta.

1. FMRLC: Fuzzy reference model learning control La técnica de control difuso adaptativo FRMLC, lleva a cabo la función de mantener la respuesta de un sistema en lazo cerrado con el menor error posible mediante la modificación de la base de reglas del controlador. Para llevar acabo esta labor el sistema utiliza el siguiente procedimiento. ● Observación de datos del sistema difuso tales como el error o la derivada del error. ● Caracterización de la respuesta actual mediante un modelo inverso de la planta que especifica cual debe ser el ajuste a realizar en el controlador. ● Síntesis y ajuste del controlador. Este procedimiento es repetitivo y depende de la frecuencia con la cual se modifique la base de reglas del controlador. El sistema se compone de un conjunto de elementos los cuales cumplen funciones específicas,

estos elementos son: el controlador difuso, el mecanismo de aprendizaje y el modelo de referencia (figura 1). Estos son descritos a continuación. A. Controlador difuso Todo controlador difuso se constituye de tres componentes principales: los mecanismos de fuzzificación, inferencia y defuzzificación. El mecanismo de fuzzificación es el encargado de mapear las entradas al controlador y asignarle un valor de pertenencia para cada una de las funciones de pertenencia que componen los universos. La inferencia difusa consiste en la evaluación de un conjunto de reglas difusas de la forma (1), que posee dos partes principales: el antecedente y el consecuente.

SI e (t ) ES ...Y c (t ) ES ...ENTONCES u (t ) (1)

El antecedente se encuentra antes del “entonces” y tiene como función relacionar los valores de pertenencia a la entrada del controlador con el consecuente. La defuzzificación es el procedimiento mediante el cual se evalúa el conjunto de reglas difusas y se les asigna una señal no difusa o análoga; el método mas usado es el centro de área, aunque existen métodos como primer máximo o promedio de máximos. El controlador empleado en el sistema adaptativo debe tener la posibilidad de ser modificado en línea, sin dejar de proveer señal de control en ningún instante. B. Mecanismo de aprendizaje El mecanismo de aprendizaje se compone del modificador de la base de conocimiento

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VISIÓN INVESTIGADORA


y el modelo difuso inverso. El modificador es el encargado de actualizar la base de reglas del controlador difuso. Para determinar qué tanto serán modificadas se cuenta con un modelo difuso inverso de la planta, el cual representa cual debería ser el ajuste realizado a la base de reglas ante una determinada señal de error.

Figura 1. Sistema de control FRMLC

Las entradas al modelo inverso suelen ser la señal de error y la señal de derivada del error, producidas al comparar el estado de la planta con respecto a un modelo de referencia.

ye ( kT ) = y m ( kT ) − y ( kT )

yc ( kT ) =

y m ( kT ) − y ( kT ) T

(2)

Durante el proceso de adaptación el sistema observa cual regla conforma el conjunto activo llamado así porque su valor es mayor que cero, posteriormente el modelo inverso evalúa la señal de error y derivada del error obteniendo un valor defuzzificado llamado , este valor es agregado al conjunto de reglas activas, logrando así cambiar el conocimiento que tenia la base de reglas acerca de la planta. SI e (t ) ES ...Y c (t ) ES ...ENTONCES u (t ) + p (kT ) (3).

El modelo inverso debe tener en cuenta que para valores pequeños de error los ajustes a la base de reglas son mínimos, mientras que para valores de error considerables el ajuste debe ser mayor. C. Modelo de referencia El modelo de referencia provee la capacidad de cuantificar la respuesta deseada del proceso, en general, el modelo de referencia puede ser cualquier sistema dinámico. La respuesta del sistema en conjunto es

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computada con respecto al modelo de referencia mediante la generación de una señal de error. Lo más usual es emplear como modelo de referencia un sistema de primer orden.

1.1. Implementación de FRMLC Haciendo uso de la plataforma Matlab, se programó el funcionamiento de una estructura de control similar a FRMLC. Dentro de sus principales características se encuentra: D. Creación automática del controlador y modelo inverso Usando un tipo de estructura con extensión (.fis), definida en el Toolbox de Fuzzy Logic, se crea un controlador capaz de ser modificado en tiempo real; el programa tiene la posibilidad de variar el tamaño de los universos, y su rango. En cuanto al modelo inverso el programa inicializa automáticamente la base de reglas, y tiene la capacidad


CONTROL DIFUSO ADAPTATIVO APLICADO A UN CONTROL DE VELOCIDAD

de modificar el número de universos desde uno hasta tres.

VISIÓN INVESTIGADORA

Figura 2. Sistema FRMLC en Simulink

Hay que tener en cuenta que cuando usamos tres universos de entrada en el modelo inverso la superficie de control resulta en cuatro dimensiones, ya que es posible ingresar al modelo inverso el error, la derivada del error, y la integral del error. E. Modificación de la base de conocimiento Se encontró que hay dos formas de modificar la base de conocimiento del controlador: la primera de ellas es llevar a cabo una modificación de consecuentes de las reglas; la segunda consiste en llevar a cabo un desplazamiento del centro de las funciones de pertenencia. La modificación en los dos casos depende del valor instantáneo del modelo inverso. F. Modelo inverso Se emplea un modelo inverso con 5 funciones de pertenencia por universo. En la tabla 1 se puede apreciar el valor mapeado para diversos valores de error y variación del error en las primeras celdas verticales y horizontales; en las celdas centrales se encuentra el valor de salida del modelo inverso o factor de corrección p (kT ) .

Tabla 1. Base de reglas del modelo inverso Y ck

universos

Y ek

-1.0

-0.5

0

0.5

1.0

-1.0

-1.0

-1.0

-1.0

-0.5

0

-0.5

-1.0

-1.0

-0.5

0

0.5

0.0

-1.0

-0.5

0

0.5

1.0

0.5

-0.5

0

0.5

1.0

1.0

1.0

0

0.5

1.0

1.0

1.0

Los componentes del modelo son interconectados en Matlab usando la interfaz Simulink de modo que se pueden apreciar los resultados de la simulación y se puede cambiar fácilmente los parámetros de los componentes, para así experimentar con distintos valores. En la figura 2 se puede apreciar un diagrama simulink en el cual se simula el sistema FRMLC.

2. Caso de estudio (control de velocidad) Basándose en la señal VR, proveniente del pedal de aceleración del automóvil y en la señal de realimentación del sensor de velocidad, el sistema de control debe regular la velocidad del vehículo v ajustando el ángulo u del obturador de la gasolina para aumentar o disminuir la fuerza del accionamiento del motor Fd. La dinámica longitudinal del vehículo gobernada por la ley de Newton es:

21


Fd = M

dv + Fa + Fg dt

(4)

Donde M(dv/dt) es la fuerza de inercia, Fa es la resistencia aerodinámica y Fg es la resistencia de ascensión o fuerza descendente. Las fuerzas Fd, Fa y Fg se producen como se muestra a continuación, donde Vw es la velocidad de las ráfagas de viento, M es la masa del vehículo y pasajero(s), θ es el ángulo de inclinación de la carretera y Ca es el coeficiente de resistencia aerodinámica:

Fg = M g Sen (θ )

(5)

Fd = Cg (V + Vw )

(6)

2

El actuador del obturador y el sistema de propulsión del vehículo se modelan como un retardo temporal en cascada con un retardo de primer orden

C1eTs 1 + Ts

(7)

y una característica de fuerza de saturación debida a limitaciones físicas del motor (Fd esta limitado entre Fdmin y Fdmax). Se adoptan los siguientes parámetros: C1 = 743, T = 1s, τ = 0.5 s; M = 1000 Kg, Ca = 1.19 N/(m/s)2, Fdmax = 2000 N, Fdmin = 20 N y la constante de gravedad g = 9.8 m/s2

Figura 3. Modelo dinámico de velocidad

Con el fin de perturbar el comportamiento de la planta se eligió una velocidad del viento de 8m/s y una inclinación de 10 grados.

2.1. Diseño del controlador Para el diseño del controlador se eligieron los siguientes parámetros. Rangos para el controlador: rango del error[-5 5], rango de la derivada del error[-1 1] rango de salida[0 π/2]; rangos del modelo inverso: rango del error[-3 3], rango de la derivada del error[-0,5 0,5], rango de salida[-0,4 0,4]; intervalo de actualización de la base de reglas 1seg; 5 funciones de pertenencia por universo; distribución de funciones uniforme; actualización de la base de reglas por desplazamiento de centros. En este tipo de sistema se debe tener cuidado en la forma como se actualizan las reglas, pues al tener retardo en el tiempo se debe dar al controlador el tiempo necesario para asimilar los cambios antes de realizar nuevos cambios. Además la adaptación tiene que tener en cuenta que el sistema responde más rápido a cambios de velocidad positivos que a cambios negativos, por lo tanto se debe evitar el sobreimpulso pues este traería como consecuencia que el sistema tarde mas tiempo en estabilizarse.

3. Experimentos y resultados En la figura 4 se puede apreciar la señal de referencia empleada para entrenar el mecanismo de aprendizaje, en todo momento se ve la acción del controlador para lograr que la planta siga la señal de referencia, aunque debido a las limitaciones físicas de la planta hace que esta

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CONTROL DIFUSO ADAPTATIVO APLICADO A UN CONTROL DE VELOCIDAD

no sea controlable durante los periodos de desaceleración. En la figura 5 es posible observar la superficie de control generada por el sistema de control, es de destacar que sus pendientes no presentan variaciones abruptas, con lo cual se concluye que la respuesta del controlador debe ser suave. Esta superficie fue probada en un sistema sin aprendizaje y con perturbaciones producidas por variación en la velocidad del viento e inclinación del piso (figura 6a), con el fin de evaluar la calidad de los conocimientos adquiridos, y la capacidad para responder ante nuevas dinámicas.

VISIÓN INVESTIGADORA

Figura 5. Superficie de control generada

Figura 6. a) Perturbación debido a ráfagas de viento y variación en la inclinación del piso b) Respuesta del sistema ante perturbaciones debido a ráfagas de viento y variación en la inclinación del piso CONTROL DE VELOCIDAD

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INCLINACION DEL TERRENO(GRADOS) VELOCIDAD DEL VIENTO (m/s)

5

AMPLITUD DE LA PERTURBACION

Figura 4. Respuesta del sistema controlando la velocidad del vehículo

0

-5

-10

-15

0

20

40

60

80

100

120

140

TIEMPO

La figura 6b representa el comportamiento del controlador sujeto a las perturbaciones anteriormente mencionadas, pero bajo tres condiciones de operación diferentes. En la primera prueba se utilizó la super-

16

14

12 VELOCIDAD DEL VEHICULO

Las ráfagas de viento fueron probadas para vientos a favor y en contra de hasta 5m/s, mientras que la inclinación del piso se varió entre 15 grados en descenso y 15 grados en ascenso.

18

10

8

6

4

CON CONOCIMIENTO PREVIO SIN APRENDIZAJE MODELO DE REFERENCIA REFERENCIA LUEGO DE LA ULTIMA INTERACCION CON CONOCIMIENTO PREVIO Y MECANISMO DE APRENDIZAJE

2

0

-2

0

20

40

60 TIEMPO

80

100

120

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ficie de control de la figura 5 y un controlador sin mecanismo de aprendizaje. En esta se puede apreciar que a pesar de las perturbaciones hay un seguimiento de la referencia, pero que presenta un error de estado estacionario. La segunda prueba consistió en usar la superficie de control de la anterior prueba pero esta vez si se tiene un mecanismo de aprendizaje. En esta prueba se puede apreciar que el sistema presenta un comportamiento sobreamortiguado pero disminuye el error de estado estacionario. Por ultimo se apaga el mecanismo de aprendizaje y se prueba el sistema usando la superficie generada durante la segunda prueba. Se aprecia cómo hay un error de estado estacionario pero esta vez es de magnitud contraria al obtenido en la primera prueba.

Conclusiones La técnica de control FRMLC es muy útil cuando la planta presenta variación de parámetros en el tiempo, se observa además que cuando el mecanismo de aprendizaje es apagado el conocimiento almacenado en la superficie de control puede controlar aceptablemente la planta. Cuando la variación de parámetros hace que los conocimientos adquiridos no sean suficientes para mantener un buen desempeño es posible encender de nuevo el mecanismo de aprendizaje, de forma que se da la posibilidad de adaptación. Así se observa que la elección de la señal de entrenamiento es crucial en el desempeño del controlador, pues esta es la encargada de producir situaciones diversas para así entrenar el controlador ante diversos rangos.

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CONTROL DIFUSO ADAPTATIVO APLICADO A UN CONTROL DE VELOCIDAD

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VISIÓN INVESTIGADORA


VISIÓN Clasificación del artículo: investigación

APRENDIZAJE DE LA FÍSICA EN PRESENCIA DE DISCAPACIDAD: MEDIDOR FOTOÓPTICO DE TIEMPOS PARA INVIDENTES LEARNING OF THE PHYSICS IN PRESENCE OF DISABILITY: PHOTOOPTIC METER OF TIMES FOR BLIND PEOPLE Alfredo Chacón García1 John Richard Velásquez Prieto2

1 Ingeniero Electrónico de la Universidad Distrital, Especialista en Instrumentación Electrónica de la Universidad Santo Tomás, Msc. (c) en Ingeniería Electrónica de la Universidad Javeriana, integrante del grupo de investigacion INTEGRA de la Universidad Distrital. alfredochacon@ yahoo.com 2 Tecnólogo en Electrónica, de la Universidad Distrital. Áreas de interés: modelamiento ma temático de sistemas, sistemas bioinspirados, las redes neuronales. jrvelasquez@udtecno. org

Resumen Teniendo como marco el convenio suscrito entre la Universidad Distrital y el Instituto Nacional para Ciegos (INCI), se genera la necesidad de investigar sobre el aprendizaje en entornos de discapacidad humana; en este caso, sobre conceptos de Cinemática que deben asimilar estudiantes invidentes de Educación Secundaria. Este documento muestra los resultados de una alternativa propuesta consistente en un instrumento medidor de tiempos, que permite obtener una aproximación confiable de los valores de aceleraciones y velocidades medias, en los experimentos de movimiento en una dimensión. Durante su análisis, diseño e implementación, se considera la imposibilidad de los estudiantes para conocer la naturaleza de la trayectoria del movimiento de la partícula, lo que orientó la labor sobre la implementación de dispositivos sensoriales para extender el límite de la percepción humana, guiado también por una aproximación correcta al fenómeno físico desde la realidad del invidente. Palabras clave

Aprendizaje, discapacidad, invidentes, instrumento, medidor, tiempo, velocidad, aceleración.

Summary

Having as mark the agreement subscribed among the Distrital University and the National InsVISIÓN ELECTRÓNICA

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titute for Blind (INCI), the necessity of investigating is generated on the learning in environments of human disability; in this case, on concepts of Kinematics that blind students of Secondary Education should assimilate. This document shows the results of a proposal alternative consistent in an instrument meter


APRENDIZAJE DE LA FÍSICA EN PRESENCIA DE DISCAPACIDAD: MEDIDOR FOTOÓPTICO DE TIEMPOS PARA INVIDENTES

of times that allows to obtain a reliable approach of the values of accelerations and half speeds, in the movement experiments in a dimension. During its analysis, design and implementation, it is considered the impossibility of the students to know the nature of the trajectory of the movement of the particle, what guided the work on the implementation of sensorial devices to extend the limit of the human perception, also guided by a correct approach to the physical phenomenon from the reality of the blind people.

Key words

Learning, Disability, Blind people, Instrument, Meter, Time, Speed, Acceleration

Introducción Las personas con limitaciones físicas merecen tener la misma calidad de vida que posee la población sin discapacidades. Los esfuerzos tendientes a garantizar su acceso fácil a lugares públicos es un primer paso. Sin embargo, no es el único campo posible de acción, y es allí donde surge la necesidad de desarrollar proyectos que, por ejemplo, mejoren el acceso de los invidentes al conocimiento. Pensando en dicha necesidad, se desarrolla esta adaptación, que tiene como objetivo principal ser una optimización orientada a sus necesidades particulares, y surge como una respuesta inexistente en el mercado, lo que hace que este trabajo cobre una importancia significativa, tanto en el ámbito de aplicación, como social y académico. En este artículo se presenta en primer lugar la solución propuesta, luego se expone un marco referencial adecuado para la comprensión de algunos temas relacionados con el desarrollo propuesto, para así juzgar la relevancia en su desarrollo.

1. Contenido

VISIÓN INVESTIGADORA

1.1. Marco Referencial 1.1.1. Codificación por truncamiento de bloques Este sistema de codificación, al que se hará mención de ahora en adelante como BTC (por sus siglas en inglés, Binary Truncate Coding), es un algoritmo simple y eficiente, empleado por muchos investigadores como método de codificación y compresión de imágenes. El algoritmo básico BTC bidimensional requiere dividir la imagen en matrices de NxN, donde N normalmente es 4 u 8. Los píxeles se dividen, dentro de cada matriz, en píxeles de baja o alta intensidad. Para determinar la pertenencia de cada píxel en la imagen, se emplea una función de truncamiento: (1) En donde x(i,j) es la escala de gris en el píxel(i,j). Un decodificador BTC reconstruye la imagen mediante la siguiente fórmula de recurrencia. (2) En donde los valores a, b corresponden respectivamente al umbral bajo y alto del esquema de codificación. La rata de transferencia promedio para un esquema BTC bidimensional es de 1+16/N2 [4]. 1.1.2. Aprendizaje Jerárquico Robert Gagne, de la Universidad de Harvard, plantea una teoría del aprendizaje que comprende ocho pasos:

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a. Aprendizaje por señales b. Aprendizaje por respuesta a estímulos c. Encabezamiento

Figura 1. Diagrama de bloques de la solución obtenida

d. Aprendizaje por asociación verbal e. Discriminación múltiple f. Aprendizaje de conceptos g. Aprendizaje de principios h. Resolución de problemas Para lograr un aprendizaje integral, se requiere pasar por las primeras fases, y evolucionar hacia las fases finales. El objetivo del maestro es asistir al estudiante en el camino del aprendizaje. Las ayudas didácticas, instrumentos, y materiales empleados en los procesos cognitivos refuerzan las fases propuestas por Gagne [5]. La aplicación del modelo pedagógico expuesto al desarrollo propuesto, apoya especialmente las fases a, b, e; propiciando el refuerzo de la discriminación de conceptos, mejorando los mecanismos de apropiación de señales, y creando medios para promover la respuesta a estímulos adecuados para la población invidente. 1.2. Descripción de la solución El instrumento diseñado considera principalmente dos factores. El primero, que en los experimentos de física mecánica, usualmente se considera el valor final del tiempo transcurrido entre dos puntos, ya que la trayectoria es plenamente conocida por el experimentador, un ejemplo común es el movimiento uniformemente acelerado sobre una recta. La otra consideración de diseño es que el invidente no puede determinar de manera directa la trayectoria de un móvil, ni observar el comportamiento de éste durante el experimento realizado. Pensando en lo anterior, se optó por dotar al

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instrumento de un sistema que permitiera “muestrear” la trayectoria recorrida. En realidad, el instrumento toma muestras de tiempo en diferentes etapas del recorrido del móvil. Sin embargo, como el anterior sistema no garantiza que se tenga una percepción adecuada de los datos, se incluye una interfaz de comunicaciones y un software que recibe los datos del instrumento, los manipula, y finalmente envía los resultados a una impresora Braille, para su posterior “visualización” o percepción por parte de la población objetivo. El aparato integra un bloque que hace posible escuchar el valor final de la medición, para lo cual se han digitalizado las muestras de sonido correspondientes a los números del cero al nueve y el punto, y algunas muestras de voz adicionales, que en total son 30. Además de lo anterior, el aparato visualiza el valor numérico de la medición, ya que hay que tener en cuenta que el sistema será empleado conjuntamente por personal invidente y no invidente. El diagrama de bloques del instrumento se muestra en la figura 1.


APRENDIZAJE DE LA FÍSICA EN PRESENCIA DE DISCAPACIDAD: MEDIDOR FOTOÓPTICO DE TIEMPOS PARA INVIDENTES

Figura 2. Diagrama esquemático del sensor implementado

Figura 3. Configuración del amplificador LM386, para una ganancia de voltaje de 200. Tomado de [3]

Cada uno de los bloques que componen el instrumento se describen a continuación: etapa de muestreo, conformada por un máximo de 16 pares ópticos, el cual produce una señal cuando pasa el móvil por cada par. El esquema del sensor se aprecia en la figura 2, y se basa en el circuito propuesto

• Teclado, cuenta con 4 botones, que permiten acceder a las funciones de reset, lectura de memorias y reproducción de audio, cambio de escala, e Inicio/Parada del cronómetro del sistema.

en [1], y, [2]. • Detección de entradas, conformada por un amplificador operacional LF353, en configuración de sumador no inversor, implementado con 16 resistencias de 10k, de precisión, y configurado para una ganancia de 1/32, para la detección del número de entradas conectadas al instrumento, operación que se realiza mediante la variación lineal de un voltaje, en proporción al número de sensores conectados. La parte digital del circuito la componen dos integrados 74LS245, que proveen aislamiento entre las señales análogas y digitales, y una AND alambrada, implementada con 16 diodos 1N4148 y una resistencia. Este circuito detecta la interrupción de cualquiera de los sensores.

• Amplificación de audio, implementada con un filtro pasabajos de primer orden y un amplificador LM386, que proporciona la salida al parlante del sistema. El circuito cuenta con un interruptor para apagar el parlante. • Cronómetro de sistema, implementado con un PIC 16F876A-I/P, que gestiona las señales de temporización del sistema, y envía los datos numéricos al display del instrumento, implementado con 5 displays 7-segmentos de ánodo común, y un visualizador 74LS47. El sistema gestiona las comunicaciones con la tarjeta principal, para el envío de los valores de sonido, mediante I2C • Almacenamiento y lectura de audio, implementado mediante un PIC 16F876AI/P y una memoria 24LC256, que permite el funcionamiento del bus I2C a 400 Kbps.

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VISIÓN INVESTIGADORA


Este circuito almacena los datos de sonido, y los reproduce cuando son requeridos por el usuario. Se emplea la codificación basada en BTC, descrita posteriormente. • Puerto de comunicaciones, implementado con el microcontrolador y un adaptador MAX 232, que transforma la salida del microcontrolador a los valores estándar de la norma RS-232. Este sistema se ilustra en la figura 4. • Visualización, implementada con 5 transistores 2 N 2 2 2 2 A y un driver 7447, para alimentar con las señales provenientes del microcontrolador 5 displays

Figura 4. Diagrama eléctrico interno y conexiones del MAX232

Figura 5. Etapa de visualización

de 7 segmentos. Su esquema de conexión lo vemos en la figura 5. • Software, el cual es un programa que gestiona la solicitud de datos al instrumento, obtiene la información de este, la traduce en las curvas necesarias, la tabula, y la envía a la impresora 1.3. Codificación de audio basada en BTC La codificación implementada parte de los siguientes supuestos. En primer lugar, es posible reconstruir una señal mediante un solo bit por cada muestra, si este bit lleva la información referente al cambio de la muestra con respecto a la muestra anterior. Por ejemplo, si la muestra anterior tiene un valor mayor al de la muestra actual, se pone un cero, y en caso contrario se pone un uno. Se hace uso de la característica DC de un circuito RC para convertir el tren de pulsos digital a una señal análoga, partiendo del siguiente hecho. Si la señal es uno, el condensador se carga, a un voltaje cuyo valor queda determinado por la constante de tiempo del sistema. En caso de ser un cero la señal, el condensador se descarga, dependiendo de RC. Existe otro mecanismo para reconstruir la señal, y se basa en un sistema que calcula el valor de la señal de salida, de acuerdo con la señal de entrada. Este valor digital se alimenta a un DAC y se conecta a un amplificador. Si se pone un valor límite al voltaje de carga y descarga del condensador en cada instante de tiempo, semejante a un escalón de codificación digital, se tiene un sistema que permite reconstruir con bastante precisión una señal de audio. Si se asume que V=Vdd/8, el circuito se carga a un valor

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APRENDIZAJE DE LA FÍSICA EN PRESENCIA DE DISCAPACIDAD: MEDIDOR FOTOÓPTICO DE TIEMPOS PARA INVIDENTES

que excede Vdd/8 al valor anterior, por cada uno en la trama de datos, mientras que se descarga a un valor Vdd/8 inferior al anterior, por cada cero en la trama. La fórmula de recurrencia para calcular el valor de carga del condensador, al final de cada muestra, es:

Figura 6. Simulación de la señal de salida del circuito RC*

Vc(n+1)=Vc(n)+(2k-1)*Vdd/8 (3) Esta expresión no tiene en cuenta el efecto de carga en el tiempo, sino que considera el valor final de la carga, y toma valores discretos de tiempo. Una expresión correcta, para los valores continuos del voltaje del condensador, es: DVc(t)=(Vdd/8)*(1-exp-(t/RC)), k=1 (4a)

*

Realizada en Proteus VSM, correspondiente a la palabra “cero”, con una frecuencia de muestreo de 4KHz, en el intervalo temporal de 50 a 56ms. Se pide al lector que compare con la Figura 12a.

Figura 7. Diagrama de tiempos correspondiente a un número de sensores igual a 11

DVc(t)=(Vdd/8)*(exp-(t/RC)), k=0 (4b) Que son expresiones válidas para (n1)*t s<t<n* t s, donde ts es el tiempo de muestreo de la señal. El funcionamiento de este esquema de audio se justifica de una manera sencilla. El mecanismo de audición humana es esencialmente un transductor electroacústico altamente sensible que responde a ondas sonoras de un amplio alcance de frecuencias, intensidades y formas de onda. Éste transforma las fluctuaciones de presión acústica en pulsos en el nervio auditivo. Estos pulsos son llevados al cerebro, el cual los interpreta e identifica, y los convierte en sensaciones: la percepción del sonido. Como la respuesta del oído humano es puramente subjetiva, no puede medirse directamente como las cantidades físicas. La respuesta del oído humano varía tanto con la frecuencia (de 20 a 20000 c/seg.) como por la intensidad del sonido (de 10-12 a 1 w/m2). No obstante el oído humano es más sensible

a los cambios de frecuencia que a los de intensidad y más sensible a sonidos de baja intensidad que a los de alta intensidad. A causa de su respuesta no lineal a las ondas sonoras, el oído humano capta realmente sonidos de varias frecuencias [6]. 1.4. Medición de los intervalos de tiempo Para efectos descriptivos de esta etapa del proyecto, se presentará un diagrama de tiempos correspondiente a un número de sensores de 11. Inicialmente, el estado de la entrada de detección corresponde a un uno lógico, como se puede apreciar en la figura 7. En el momento en que se produce una interrupción, se inicia el conteo, lo que se ha llamado puesta a cero, ya que el

31

VISIÓN INVESTIGADORA


número de intervalos de tiempo a contar mediante el instrumento equivale a (n-1) interrupciones, para este caso, 10. Dicho de otra manera, el instrumento cuenta los intervalos después de la puesta a cero. Se puede apreciar, así mismo, que el valor de cualquiera de los intervalos temporales ta, generalmente difieren para un valor de a diferente. En este caso, a varía entre 1 y 10. Para el caso general, a varía entre 1 y (n-1). Cuando es detectado el final del conteo, evento indicado en la Figura 7, el valor acumulado hasta ese instante de tiempo corresponde al tiempo medido entre el inicio y el final de la trayectoria, el cual se muestra en la figura 7 como T. Estos valores de tiempo, tanto los intermedios como el valor final, son almacenados en posiciones intermedias de la memoria RAM libre en el microcontrolador, empleando para ello un máximo de 75 bytes, lo que garantiza que se almacenen todos los datos correspondientes al conteo de tiempo. 1.5. Procesamiento de las señales de sonido La realización de esta tarea se haría inicialmente mediante un sistema inspirado en un analizador espectral mediante el corrimiento de la frecuencia de muestreo[7][8]. Sin embargo, esta opción resultó ser computacionalmente inadecuada, ya que el emplear el microcontrolador para realizar el procesamiento de señales que permanecerían fijas en la memoria de programa es innecesario, y además, requería de espacio en memoria y de tiempo de ejecución. Se optó entonces por efectuar un tratamiento de señales empleando la herramienta de software Goldwave, de GoldWave Inc., en una primera etapa. En esta fase del proceso, se grabaron en el computador las 11 muestras de sonido, correspondientes a los números del cero al nueve, y el punto.

32

Figura 8. Señales original (arriba) y procesada (abajo) correspondientes a las 11 muestras digitalizadas. Las imágenes se obtienen con el programa GoldWave

El programa permitió la selección de la frecuencia de muestreo de la señal, en este caso de 6000 Hz. Posteriormente se realizó un filtrado, basado en el análisis de las curvas de espectro de amplitud. Las señales de sonido original y procesada, pueden verse en la Figura 8. Se generaron alrededor de 31000 muestras en total, para ser almacenadas en la memoria I2C. La codificación inicialmente ideada, permitía almacenar las muestras de voz con una frecuencia de muestreo de 1200 Hz, y se generaron alrededor de 6200 muestras, con el fin de almacenarlas en la memoria de programa del microcontrolador. Sin embargo, el sonido era ininteligible, lo que exige el rediseño del esquema de codificación de sonido. Es entonces cuando se desarrolla un esquema de codificación basado en algoritmos BTC, pero empleando una versión muy simplificada. Se desarrolla entonces un algoritmo para codificar el sonido, y es implementado en lenguaje C. La codificación actualmente realizada emplea de manera más eficiente la memoria de almacenamiento, ya que se emplea menos del 45% de la memoria del microcontrolador, con una frecuencia de muestreo de 4 KHz, para


APRENDIZAJE DE LA FÍSICA EN PRESENCIA DE DISCAPACIDAD: MEDIDOR FOTOÓPTICO DE TIEMPOS PARA INVIDENTES

almacenar las once muestras inicialmente empleadas. El sistema almacena hasta 128K de audio, y soporta frecuencias de muestreo entre 4 y 24 KHz, lo que permite codificar un mínimo de 43 segundos (a 24 KHz) y un máximo de 4 minutos de sonido (a 4 KHz). Actualmente se almacenan 30 muestras de sonido, relacionadas en la tabla 1.

Tabla 1. Listado de sonidos, correspondientes a las palabras, o frases, almacenadas en la memoria. La duración total de los sonidos almacenados es de 43 segundos Sonidos almacenados cero

siete

trece

cincuenta

uno

ocho

catorce

sesenta

dos

nueve

quince

setenta

tres

punto

venti

ochenta

cuatro

diez

veinte

noventa

cinco

once

treinta

dato número

seis

doce

cuarenta

tiempo de vuelo

La obtención del archivo de texto requerido por el codec implementado en C se hace empleando el programa Mathcad 2001, la cual trae algunas funciones diseñadas para obtener información y el contenido de los archivos de sonido con extensión *.wav. La lista de las posiciones de memoria se obtuvo empleando el comando WavRead( ), de acuerdo con lo propuesto en [9]. Luego de ser almacenadas dichas muestras en la memoria I2C, se diseñó un algoritmo que permitiera la lectura de las posiciones correctas de memoria, y su síntesis posterior mediante el módulo de PWM, o CCP, del microcontrolador, para lo cual se tuvo en cuenta el intervalo entre cada muestra de sonido, y la resolución del módulo.

1.6. Grabación de los datos en memoria

VISIÓN INVESTIGADORA

El almacenamiento de los datos en memoria supuso un nuevo reto para el diseño del proyecto. El código fuente de acceso y lectura de los datos en la memoria de programa, así como el resto del código del instrumento, se desarrolla mediante el compilador de C para PIC de CCS. Sin embargo, CCS en su implementación (versión 3.242) no soporta el uso de directivas de programación. Específicamente, para almacenar los datos requeridos en la memoria de programa del microcontrolador, se requiere la directiva dw soportada solamente, de manera directa, por el lenguaje ensamblador de Microchip. El linker de Microchip no soporta archivos generados por el compilador CCS, por lo que no fue posible enlazar de manera directa estos archivos. Entonces se diseña una rutina en C, para leer el contenido del archivo .hex correspondiente al código fuente, copiarlo en otro archivo, y luego acceder el archivo .hex con los datos que van en memoria, y agregarlos al archivo. Este programa, grabado en el microcontrolador, permite transferir los datos a la memoria I2C. 1.7. Interfaz con el usuario El programa que captura los datos provenientes del instrumento, fue diseñado empleando la herramienta de programación Borland C++ Builder 5. Este software, en su versión 1.3, fue diseñado para generar una tabla de los valores de posición, velocidad y aceleración, en un movimiento desarrollado en una dimensión, sea éste con velocidad uniforme o variable. Además de generar la tabla de datos, da libertad al usuario para que modifique el valor de la distancia entre cada sensor, lo que permite obtener un valor más real de las variables mencio-

33


Figura 9. Curva de salida obtenida con la versión 1.1 del programa Argos Panoptes*

Figura 10. Esquema de la trama de datos en el protocolo RS232. Tomado de [10]

* Correspondiente al problema propuesto en la Sección 2.9. de este mismo artículo nadas anteriormente. Así mismo, genera una gráfica de salida, independiente, por cada variable mencionada con antelación. Una pantalla (screenshot) del programa se observa en la figura 9. Figura 9. Curva de salida obtenida con la versión 1.1 del programa Argos Panoptes, correspondiente al problema propuesto en la sección 2.1. de este mismo artículo.

2. Simulaciones Se verificó el funcionamiento del diseño empleando para ello varias herramientas de software, dependiendo del bloque a probar. La simulación de la rutina principal, implementada en el microcontrolador, se realizó empleando MPLAB IDE®, versión 6.5, y mediante ésta se pudo medir la duración de la actualización del contador, en las dos escalas de tiempo, obteniendo los valores de 9.52 y 99.63 microsegundos, para cada escala. La etapa de comunicaciones, funciona conforme al protocolo RS-232, y el esque-

34

ma de la trama de datos se muestra en la Figura 10. El sensor se simuló en ORCAD, versión 9.1, y los resultados obtenidos se muestran en la figura 11. La simulación del funcionamiento del esquema de codificación de audio, se realiza mediante Proteus VSM, que cuenta con una herramienta para la simulación de señales de audio, en su kernel PROSPICE. Esta herramienta, se configura para reproducir un sonido monofónico de 22050 Hz a 16 Bits.

Figura 11. Simulación en Orcad del funcionamiento del sensor


APRENDIZAJE DE LA FÍSICA EN PRESENCIA DE DISCAPACIDAD: MEDIDOR FOTOÓPTICO DE TIEMPOS PARA INVIDENTES

Figura 12.

a) Simulación mediante la herramienta Audio Analysis, de Proteus VSM, para la señal de salida correspondiente al cero, codificado a una frecuencia de 24KHz b) Grabación de la palabra “cero” en GoldWave

En esta configuración se obtiene la mejor resolución audible de la simulación. Los resultados de las simulaciones realizadas, se presentan en la figura 12. 2.1. Pruebas En primer lugar se hizo evidente la necesidad de generar un esquema que permitiera verificar las corrientes y voltajes consumidos, para realizar una adecuada selección de la fuente, y de paso, cumplir con lo estipulado por la norma NTC ISO 9000, en los apartados de diseño. Dicho esquema finalmente se ejecutó de la siguiente manera. Se montaron diversos circuitos de prueba para cada una de las etapas, lo que permitió evaluar el consumo de corriente de cada bloque de hardware. Los parámetros de operación de corriente y voltaje de cada bloque del instrumento se relacionan en la tabla 2.

Tabla 2. Mediciones de corriente y voltaje de alimentación para los bloques de hardware más representativos Bloque

I(mA)

Vs(V)

Visualización

53,1

5,02

Etapa de potencia

114

5,02

Sensores

16,3

5,02

Etapa de entrada

18,9

5,02

ferentes. Se hace uso, como elemento de tiempo patrón, de los cronómetros de los modelos de teléfonos móviles Nokia 1100 y Nokia 2600. También se emplea el temporizador interno de la calculadora HP 48G. Las resoluciones de los “patrones” de tiempo se presentan en la tabla 3, los resultados de las calibraciones en la tabla 4, y se puede ver una imagen de la calibración simultánea del aparato en la figura 13.

Tabla 3. Resolución de cada uno de los patrones empleados, en milisegundos Bloque

I(mA)

Vs(V)

Visualización

53,1

5,02

Etapa de potencia

114

5,02

Sensores

16,3

5,02

Etapa de entrada

18,9

5,02

Figura 13. Resultados de una calibración simultánea. a) Nokia 1100. b) Nokia 2600 c) HP 48G. d) Instrumento, escala x10

La calibración del instrumento, se realiza empleando tres elementos de tiempo di-

35

VISIÓN INVESTIGADORA


Tabla 4. Resultado de las pruebas de calibración, realizadas con los patrones de tiempo descritos anteriormente

Figura 14. Montaje experimental empleado para las pruebas

mental lo muestra la figura 13. Se disponen los 16 sensores a una distancia de 6.6 cm. uno del otro, que cubre una distancia total de 0.99 m, como se aprecia en la misma figura. Este experimento corresponde al típico experimento de movimiento uniformemente acelerado en una dirección. La tabla obtenida al realizar esa medición, corresponde a la tabla 5. La gráfica obtenida es la mostrada en la figura 9.

Tabla 5. Valores medidos con el instrumento, para el montaje experimental de la figura 14

Posterior a la verificación técnica del instrumento, se realiza un experimento que aporta elementos para comparar su desempeño con lo obtenido teóricamente. Se coloca un carro de laboratorio sobre un riel de 1.5 metros de longitud, al final del cual se ubica una polea. Por la polea pasa una cuerda, atada al carro y en el otro extremo, a una pesa de 50 g de masa, que está por encima del suelo 1.2 metros. El carro empleado para la prueba pesa 100 g, lo que hace que la aceleración a la que se somete el móvil sea la mitad. El diagrama experi-

36

INTERVALO

TIEMPO(S)

1

0,0821

2

0,1159

3

0,1422

4

0,1642

5

0,1831

6

0,2008

7

0,217

8

0,2319

9

0,2463

10

0,2593

11

0,272

12

0,2842

13

0,2955

14

0,3068

15

0,3174


APRENDIZAJE DE LA FÍSICA EN PRESENCIA DE DISCAPACIDAD: MEDIDOR FOTOÓPTICO DE TIEMPOS PARA INVIDENTES

Figura 15. Tabulación de un registro de datos de temperatura y su correspondiente representación en Braille

Figura 17. Representación de un elevado número de elementos y su concordancia en el taxiplano

Fuente: [11], pág. 164

Fuente: [11], pág. 125

Figura 16. Gráfica de una función escalonada y su representación en el taxiplano, o representación del plano bidimensional en Braille

Un aspecto importante de las pruebas realizadas era analizar la respuesta de la población invidente a las salidas del instrumento. Si bien el estudiante invidente manifiesta cierta comodidad con la reproducción de las muestras de sonido, la presentación de los datos mediante el estándar sugerido por la ONCE [11]. La familiaridad del estudiante con la presentación de los reportes en tablas de datos fue bastante alta, pero, la presentación gráfica requiere un mayor grado de estudio. Las figuras 15, 16 y 17 ilustran la forma de presentar datos sugerida por el documento referido.

3. Resultados Los resultados obtenidos durante este desarrollo fueron los siguientes: • El error promedio en la medición del tiempo, comparado con los tres patrones, para las dos escalas del instrumento, no excede el 1%.

Fuente: [11], pág. 177

• Se obtiene un codec de audio que permite emplear de manera eficiente la memoria de almacenamiento, sin distorsionar la inteligibilidad del mensaje, al permitir

37

VISIÓN INVESTIGADORA


la grabación de un máximo de 4 minutos de sonido. • El instrumento incorpora mecanismos que facilitan el aprendizaje, y refuerzan las fases del aprendizaje descritas por Gagne, en la medida que facilita la adquisición de información sobre el fenómeno físico al invidente. • El programa de computador obtiene los valores de velocidades y aceleraciones medias entre cada par de sensores, y las ecuaciones de posición, velocidad, y aceleración mediante mínimos cuadrados. • El método de “muestreo” de la trayectoria, garantiza una buena aproximación al fenómeno físico real, correspondiente a un experimento típico de movimiento en una dimensión. • La presentación de los resultados es conforme a los estándares propuestos por la ONCE.

4. Perspectivas Las siguientes son algunas alternativas de desarrollo potencial, a partir de los resultados del proyecto. • Es interesante realizar un estudio detallado sobre la estrategia de codificación de audio empleada, con el fin de depurarla, mejorarla, y convertirla en una herramienta para el desarrollo de aplicaciones con sonido. • Desarrollo de un Ambiente Virtual de Aprendizaje de la Física, orientado a personas invidentes.

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• Diseño de instrumentación didáctica para personas con discapacidades. • Diseño de instrumentación científica de altas prestaciones y bajo costo. • Homologación del instrumento en la Superintendencia de Industria y Comercio. • Comercialización y exportación hacia la Unión Europea, previa validación del ONCE. • Diseño y desarrollo de un software matemático para invidentes.

Conclusiones • Es posible desarrollar instrumentos que apoyen procesos de aprendizaje orientados hacia las necesidades particulares de poblaciones con necesidades especiales, sin olvidar el contexto local, que obliga a una solución mixta. • Se requiere un mayor desarrollo, tanto a nivel matemático, como a nivel práctico, de las herramientas implementadas para la codificación de sonido en el microcontrolador, con el fin de potenciar su uso intensivo a nivel de aplicación. • Esta solución hace posible la implementación de soluciones integradas, para su uso por personas normales y con alguna discapacidad, facilitando las tareas de aprendizaje y adquisición de información a los usuarios. • Partiendo de ideas complejas, como un compresor para imágenes, es posible obtener modelos matemáticos sencillos para codificación de señales de audio.


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Referencias bibliográficas

VISIÓN INVESTIGADORA

[1] Millman, J; Halkias, C. “Electrónica Integrada”. Editorial Hispano Europea. Barcelona, 1976, Pág. 160-161. [2] Mark Horenstein. “Microelectrónica: Circuitos y Dispositivos”. Prentice Hall Iberoamericana, 1997, Pág. 278-279. [3] National Semiconductor. “LM 380 Power Amplifier”, National Analog and Interface Products Databook, National semiconductors, 2002. [4] Rabine, Hamid, Kasyap, R.L, Radha, H. “Multiresolution image compression with BSP trees and multilevel BTC”. IEEE ICIP’95, Washington D.C. Octubre de 1995. pp 2-3. [5] Mendoza de Suarez, Rosa. “Teorías de Aprendizaje”. Universidad de Pamplona. Pamplona. 2001. pp 66-69. [6] Altavoces. http://olmo.pntic.mec.es/~jmarti50/doncel/acustica.htm [7] AN542, “Implementation of Fast Fourier Transforms”, Embedded Control Handbook, Microchip, 1993. [8] Gustavo Caamaño León, “Análisis espectral por corrimiento de la frecuencia de muestreo”, Tecnura, No. 4, 1999, Pág. 20-27. [9] Mathcad Resource Center, “Read WAV Files”, Mathsoft Inc., 2000. [10] Universidad Politécnica de Valencia. “Transmisión Serie”, Universidad Politécnica de Valencia, 2001. [11] Fernández del Campo, José. “Braille y Matemática”. ONCE. Madrid, 2004.

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VISIÓN DE CASO Clasificación del artículo: REFLEXión

SOFTWARE PARA GESTIÓN Y ADMINISTRACIÓN DE IMÁGENES UTILIZANDO TECNOLOGÌA MULTIMEDIA GSM® SOFTWARE FOR MANAGEMENT AND ADMINISTRATION OF IMAGES USING GSM® MULTIMEDIA TECHNOLOGY Hermes Javier Eslava1 Edgar Javier Cruz López2 Juan Carlos Ramos Buitrago3

1

2

Resumen Teniendo en cuenta los recursos e infraestructura en Telecomunicaciones de los operadores de telefonía móvil, el presente artículo muestra el desarrollo y la implementación de un sistema donde a través de mensajes multimedia integrado con una aplicación Web, en forma autorizada, se administran, clasifican y publican las imágenes enviadas desde un móvil. El enrutamiento se ha ejecutado por el operador de telefonía móvil (COMCEL®) hacia un servidor VAS4Value Added Service, Servicios de valor agregado - donde se analizan los mensajes, se guardan en un servidor Web y luego se registran en una base de datos.

Licenciado en Electrónica de la Universidad Pedagógica Nacional. Msc. en Telecomunicaciones de la Universidad Nacional de Colombia. Docente de planta adscrito a la Facultad Te c n o l ó g i c a d e l a Universidad Distrital, hjeslavab@udistrital. edu.co

Palabras clave

Tecnólogo en Electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Summary

3

Tecnólogo en Electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas

4

VAS, Value Added Service, Servicios de valor agregado

Mensajería multimedia, mensajería corta, aplicación Web, metodologías de desarrollo de software, RUP (Rational Unified Process).

Having in mind the resources and infrastructure in telecommunications with which it counts the operators of mobile telephony, this article show the development and implemented of a system where trough of a multimedia messages, By means

Key Words

Messaging multimedia, short messaging, Web application, methodologies of software development, RUP (Rational Unified Process). VISIÓN ELECTRÓNICA

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of the application Web different authorized users will be able to administer, to classify and to publish the images sent from its cellular one in a Web. The routed is for the operator of mobile telephony (COMCEL®) toward the VAS server, analyze the messages, the guard in a Web server and it registers them in a database.


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Introducción La integración entre variadas tecnologías (MMS, SMS y Web) para la interacción del usuario con diferentes interfaces, por ejemplo las de teléfonos móviles y la Web, requiere de una cuidadosa investigación que parte del análisis entre las diferencias entre cada tecnología y cada interfaz, con el fin de establecer la forma más adecuada de presentar la información, en cada una de las entidades del sistema, de modo que se mantenga la integridad de dicha información, [14], [15]. Actualmente, los paradigmas de programación, [2],[4],[6], permiten que los datos que cada usuario envía, sean ordenados de tal manera que pueden presentarse a otros usuarios de una forma estructurada para facilitar la consulta de la información en una base de datos. Igualmente, los criterios de usabilidad del software, implican el diseño de interfaces amigables y atractivas, donde con elementos HTML como los de cualquier sitio Web5, permitan al usuario un rápido acople con aplicaciones de distinta naturaleza. Esto es crítico en el caso que nos ocupa, pues deben ejecutarse procesos de edición y organización de material fotográfico y tiempos de entrega mínimos; asuntos que deben hacerse remotamente desde cualquier lugar donde se tenga acceso a Internet y cuya validación instantánea se realiza en base a confiables reportes que se generan automáticamente.

te, el envío de tales imágenes se realiza en CD, debido a que el tamaño de estas es demasiado grande para ser enviado por correo electrónico.

VISIÓN DE CASO

En primer lugar, cuando son sitios bastante alejados del centro del país el tiempo se vuelve un factor crítico para la edición y entrega del producto final, sin contar con que el material se expone a riesgos tales como pérdida o daños físicos. En segundo lugar, el uso de aplicaciones6 para envío de mensajes multimedia en general no se ajustan a las necesidades particulares de las compañías, y no se puede hacer ningún tipo de modificación o ajuste pues el código fuente es cerrado. Y en tercer lugar, la edición de las imágenes es un proceso largo y cuidadoso de clasificación -zona, ciudad, tipo de imagen, etc.- hecho por personal que trata las imágenes a tamaños estándar y optimizados para obtener una resolución aceptable.

2. Criterios de diseño Basado en requerimientos de usuarios finales, se optó por una alternativa que se ajusta a las exigencias de la infraestructura de la red y su funcionalidad. Tales requerimientos, [10],[14], pueden definirse así:

1. Descripcion del problema

- Permitir la recepción de mensajes multimedia provenientes desde el MMSC del operador de telefonía móvil, solo desde números autorizados administrables desde una interfaz Web.

Supongamos que un operador de telefonía móvil deba entregar reportes gráficos periódicamente acerca del estado de sus puntos de venta y de eventos realizados por sus distribuidores en todo el país. Normalmen-

- Almacenar ordenadamente la información para su posterior clasificación, el sistema debe enviar una notificación al usuario vía SMS indicando la correcta recepción del mensaje.

41

5

Los elementos normalmente utilizados por los sitios Web son listas desplegables, casillas de verificación, botones de selección, cajas de texto, iconos gráficos, textos de ayuda.

6

desarrollado por compañías como Netwin Software, Compañía neozelandesa desa-rrolladora de software. http://www. netwinsite.com


- Tener Servicio FTP de IIS, para realizar la transferencia de archivos de los mensajes a las carpetas de destino. - Comunicación con MMSC y SMSC a nivel de protocolos de datos. - Documentar la instalación y arquitectura. La aplicación diseñada en 3 capas para facilitar la ejecución de cambios y optimizar la velocidad de comunicación entre la aplicación y la base de datos, que cumple con estos requisitos por menor tiempo de diseño, desarrollo e instalación, bajo costo y facilidad de implementación, se desarrolló en SQL SERVER 2000® en un servidor remoto Web IIS (Internet Information Services) es compatible con el sistema Operativo Windows 2003 Server Standard Edition®, permite el almacenamiento de más de 10000 registros y archivos de imágenes, carga imágenes digitalizadas a la aplicación vía Web, de tal forma que el procesamiento posterior es igual al de los mensajes multimedia. Se utilizaron Lenguajes de Script libres como PHP 4.3.11, compatibles con plataformas Microsoft®; lenguajes de script para aplicaciones a nivel de protocolo (MMS y SMS) JAVA J2EE®; Servidor Web Tomcat 4.0 para ejecutar aplicación Web desarrollada en lenguaje JAVA®. 7

3. Metodología, desarrollo e implementación de la aplicación

7

Las tres capas son Interfaz de usuario, modelo de objetos y modelo de datos.

La metodología de desarrollo de software que se utilizó es la RUP (Rational Unified Process) que se caracteriza por fomentar las buenas prácticas pero en especial la de desarrollo iterativo que consiste en organi-

42

zar una serie de mini-proyectos cortos de duración fija denominados iteraciones. El resultado de cada una de estas iteraciones es un sistema que puede ser probado, integrado y ejecutado. Cada iteración posee sus etapas de análisis de requisitos, diseño, implementación y pruebas. El ciclo de vida iterativo se basa en el mejoramiento de los sistemas por medio de múltiples iteraciones. De esta manera el sistema crece incrementalmente a lo largo del desarrollo, por esta razón este enfoque es también llamado desarrollo iterativo e incremental. Basados en la metodología RUP y debido a las cuatro diferentes tecnologías involucradas en los requerimientos, se ha dividido el proyecto en los siguientes mini-proyectos o iteraciones: - Iteración base de datos. Es la base de todo el proyecto ya que el buen funcionamiento de las demás Iteraciones depende del buen diseño y funcionamiento de esta. - Iteración MMS. Comprende la etapa de comunicación, recepción y almacenamiento de mensajes enviados vía multimedia por los usuarios de la aplicación - Iteración SMS. Es el proceso que envía los mensajes de respuesta vía SMS a los usuarios cuando estos envían un Mensaje MMS. - Iteración Aplicación Web. Es la encargada de la administración de los mensajes y la información. Incluye el manejo para cada perfil de usuario y la carga de archivos vía Web. Cada iteración se implementa por medio de una cascada realizando las etapas de Requisitos, Análisis, Diseño, Implemen-


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Figura 1. Iteración RUP [16]

factor crítico en bases de datos que contienen demasiada información. Este sistema relacional, conocido por ser un estándar en el mercado, solventa los problemas presentados por otros sistemas8 en operaciones comerciales [12].

VISIÓN DE CASO

B. Iteración de mensajería multimedia mms

tación y Pruebas, al finalizar se evalúan los resultados del proceso y se comparan con los de otras iteraciones para corregir posibles errores. A. Iteración base de datos La base de datos es el lugar en donde se almacenan todos los datos necesarios para atender a las necesidades de todos los usuarios de forma directa. Los datos pueden ser una combinación de voz, imágenes, texto y números. La base de datos se considera desde dos puntos de vista, el físico y el lógico. La base de datos física está compuesta de los medios de almacenamiento, como las cintas o discos. Y la Lógica atiende la búsqueda, asociación y recuperación de los datos almacenados para satisfacer necesidades específicas de información. También tiene que ver con el componente de software del sistema que incluye técnicas lógicas y asociativas de datos como índices, directorios, listas, llaves, apuntadores, redes, árboles y relaciones [1]. Siguiendo el modelo entidad-relación, la Base de datos tiene la facilidad de recuperar los datos sin importar donde se encuentren y evita la duplicidad de la información que aumenta el espacio de almacenamiento,

“La definición del servicio MMS esta siendo liderada por el proyecto de la asociación 3GGP, y las especificaciones elaboradas hasta la fecha9 proponen un servicio que no tiene equivalencia directa con su predecesor en las redes de telecomunicaciones fijas, con el correo electrónico de Internet, ni con el servicio de mensajes cortos de texto. Las principales y más novedosas características que introduce la mensajería móvil multimedia son” [15]: - Permite el envío a dispositivos móviles de presentaciones audiovisuales sincronizadas formadas por una o varias páginas con objetos multimedia que pueden ser Imágenes, sonidos, texto con formato (estilo, tamaño o color) y Video10.

8

Otros sistemas de bases de datos son jerárquico y en red, los cuales utilizan punteros, pero presentan problemas para recuperar datos basados en otras interrelaciones que no estén definidas antes de que el sistema se ponga en marcha.

9

Consulta de información más detallada sobre el estándar en www.3gpp.org

- Utiliza el lenguaje SMIL11 para la integración de los objetos multimedia en la presentación sincronizada. - Permite proporcionar un nivel de servicio personalizado a cada usuario dependiendo del terminal. - Los servidores tienen la capacidad de almacenar los mensajes y enviar la notificación al teléfono móvil para que sea descargado. 1. Arquitectura Mensajería Multimedia Los servidores de aplicaciones MMS que proporcionan servicios de valor agregado (VAS) a los usuarios se conectan al MMSC

43

10 MMS es compatible con formatos JPEG, GIF 87a, GIF 89a, WBMP y PNG, AMR, MPEG-4, AAC, SPMIDI, y H.263 11 W3C: W3C Recommendation Synchronized Multimedia Integration Language (SMIL 1.0). 15 de junio 1998, http://www. w3.org/TR/SMIL/


Figura 3. Comunicación MM7

documento para los mensajes MM7 en formato SOAP contiene dos partes: - SOAP envelope. Sección obligatoria del nivel superior que contiene datos XML relacionados con el mensaje. El SOAP envelope contiene: Header, body, fault. - SOAP attachment. Es una sección opcional del nivel superior que por lo general contiene información codificado en base6412 con estructura de mensaje Multipart MIME13.

a través del punto de referencia (MM7) de la arquitectura MMS. Debido a que este proyecto utiliza un servidor externo de servicios de valor agregado esta iteración consiste en implementar la interconexión con el MMSC utilizando el estándar MM7. 2. Estructura de protocolo MM7

12 Base 64 es un método de codificación donde se convierten los datos binarios a caracteres ASCII 13 MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions), es un estándar que permite enviar cualquier tipo de archivo adjunto en un mensaje de texto a través de Internet. 14 HTTP POST es un método del protocolo que se usa para hacer peticiones a un servidor de destino el cual acepta el contenido de la petición y lo procesa. 15 URI es un texto corto que identifica un recurso específico. Es diferente de URL.

MM7 es un protocolo que establece la comunicación entre el centro de servicios multimedia MMSC y el servidor de servicios de valor agregado VAS. La comunicación entre el centro de mensajería multimedia y el servidor de servicios de valor agregado se hace utilizando el protocolo SOAP sobre HTTP. SOAP (Simple Object Access Protocol) es un protocolo que permite la comunicación entre aplicaciones programadas en cualquier lenguaje y que se ejecuten en cualquier plataforma. Dicha comunicación se establece a través de mensajes que están codificados en lenguaje XML para poder ser leídos fácilmente. 3. Protocolo SOAP SOAP define la codificación XML de los mensajes MM7. La estructura básica del

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4. Protocolo de transporte http El protocolo MM7 requiere que los mensajes SOAP de solicitud sean transferidos como HTTP POST14 y los mensajes MM7 de respuesta, transferidos como mensajes HTTP de respuesta. Los headers para mensajes MM7 transferidos por medio de HTTP POST son: - Content-Type. Especifica el tipo de contenido del mensaje http. Si el mensaje SOAP lleva datos adjuntos el valor es multipart/related, sino el valor es text/ XML. - SOAPAction. Pone una cadena vacía en el mensaje MM7 indicando que el HTTP Request-URI15 (Servidor de origen) es quien proporciona el intento del mensaje SOAP. Para los mensajes de respuesta HTTP el header generalmente solo contiene el campo Content-Type: text/XML. A continuación se muestran las estructuras para los mensajes MM7. 5. Recepción de Mensajes Para realizar envíos de mensajes multimedia entre el MMSC y un VAS, se debe crear


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Figura 4. Estructura de mensaje MM7 con adjuntos [10] Mensaje HTTP

conexión entre los dos puntos el servidor VAS queda escuchando constantemente las solicitudes realizadas por el MMSC en la IP y puerto especificados en la cuenta. El MMSC reenviará los mensajes que lleguen al número corto hacia el servidor VAS. Cuando el VAS recibe un mensaje confirma la correcta recepción de este al MMSC.

VISIÓN DE CASO

6. Almacenamiento de mensajes

una cuenta y configurarla con la información del servidor VAS en la configuración del gateway MMS/SMS16 del operador. Allí mismo debe configurarse el número corto17 al cual deben ser enviados los mensajes para que el MMSC se encargue de enrutarlos hacia el VAS previamente configurado. En la aplicación VAS se configuran los datos de la cuenta (código corto, IP gateway, puerto, usuario y contraseña) para poder establecer la conexión a través de HTTP POST. Una vez esta terminada la configuración en las dos partes se debe generar un HTTP POST de contenido desde el VAS hacia el gateway MMS para que este reconozca que dicho VAS propone una solicitud en formato MM7. Una vez se establece la

Una vez se recibe el mensaje correctamente la aplicación analiza el mensaje y lo descompone en número de origen, asunto, texto e imagen. Si el mensaje no trae ningún archivo adjunto o si no contiene una imagen adjunta se le notificará al usuario vía SMS que el mensaje no se ha guardado correctamente. Si el formato del mensaje es correcto se busca el número de origen en la base de datos de usuarios para validar que el número del remitente tenga permiso para guardar mensajes. Si el número no es válido se notificará al usuario que no esta registrado para enviar mensajes. Si el número es válido se procede a generar el registro en la base de datos para el mensaje y los archivos adjuntos. Para copiar el archivo en la ruta final donde va a ser consultado por la aplicación Web se renombra agregando el identificador registrado en la base de datos para este y de esta manera asegurar que no haya dos archivos con el mismo nombre. El archivo también se redimensiona para ajustarlo al tamaño estándar para el sitio Web en caso de superar las dimensiones (si las dimensiones son menores no se redimensiona) se crea una copia de la imagen en tamaño más pequeño para mostrarla como vista preliminar y se envían vía FTP a las carpetas de destino previamente configuradas en la aplicación.

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16 El gateway MMS/SMS es la puerta de enlace del MMSC. 17 Es el número al que los usuarios deben enviar los mensajes.


C . Iteración de mensajería corta sms El servicio de mensajería corta SMS es utilizado para enviar mensajes de texto de máximo 160 caracteres a través de una red de telefonía celular GSM. Estos mensajes pueden ser enviados de un teléfono celular a otro o desde aplicaciones en servidores externos a la red de telefonía móvil llamadas ESME (External Short Messaging Entity). Los usuarios de la red celular pueden recibir mensajes desde varios ESMEs, La infraestructura de red de la mensajería corta se basa en un SMSC (Short Message Service Center) el cual almacena los mensajes y los reenvía a los usuarios móviles. La comunicación entre el SMSC y el ESME se realiza a través del protocolo SMPP (Short Message Peer to Peer Protocol). 1. Protocolo SMPP SMPP es un protocolo abierto diseñado para proporcionar una inferfase de comunicación de datos flexible para la transferencia de mensajes cortos. La conexión entre las dos entidades se puede establecer en redes TCP/IP o X.25 permitiendo el envío o recepción de mensajes hacia o desde el SMSC. El ESME también puede consultar, cancelar o reemplazar mensajes cortos utilizando SMPP. Este protocolo soporta una buena cantidad de características de funciones de mensajería en dos vías tales como [14]: - Enviar mensajes a uno o varios destinatarios a través del SMSC. - Un ESME puede recibir mensajes desde otros ESME a través el SMSC. - Consultar el estado de los mensajes almacenados en el SMSC. - Cancelar o reemplazar mensajes almacenados en el SMSC.

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- Programar el envío de mensajes con fecha y hora. - Seleccionar el modo del mensaje - Establecer prioridades para el envío de mensajes. - Definir el tipo de codificación de los mensajes. - Ponerle un periodo de validez al mensaje. - Asociar un tipo de servicio a cada mensaje. La estructura de comunicación entre un SMSC y un ESME se muestra a continuación: El protocolo SMPP esta basado en el intercambio de unidades de datos de protocolo (PDU) de solicitudes y respuestas entre el SMSC y el ESME. Siempre una operación SMPP debe constar de una solicitud PDU asociada a una respuesta PDU. La única excepción es el PDU alert_notification, el cual no se responde. El intercambio de mensajes puede dividirse en tres grupos de transacciones de la siguiente manera [14]:

Figura 4. Estructura de mensaje MM7 con adjuntos [10]


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- Mensajes enviados desde el ESME (Transmitter) hacia el SMSC. - Mensajes enviados desde el SMSC hacia el ESME (Receiver) - Mensajes enviados desde el ESME (Transceiver) hacia el SMSC y viceversa. 2. Sesión SMPP Una sesión entre el ESME y el SMSC es iniciada por el ESME la primera vez que establece una conexión de red con el SMSC emitiendo un SMPP Bind Request para abrir la sesión SMPP. Durante una sesión SMPP el ESME puede emitir una serie de solicitudes al SMSC y debe recibir las respectivas respuestas para cada solicitud desde el SMSC. De la misma manera el SMSC puede realizar solicitudes al ESME y este debe responder [14].

el SMSC. Adicional a esta configuración se debe configurar los parámetros de conexión de la base de datos donde se van a colocar los mensajes a enviar. El ESME ejecuta un proceso que abre la sesión con el SMSC. Dicho proceso esta monitoreando constantemente la base de datos para verificar si hay mensajes nuevos para ser enviados. Cuando hay un mensaje nuevo este toma el número del destinatario y el mensaje a ser enviado enviándolo a través de la sesión en modo transmitter establecida con el SMSC. D. Iteración aplicación web En el diseño y desarrollo de una aplicación se manejan tres etapas: conceptual, lógica y física. La implementación de estas tres etapas garantiza la calidad, flexibilidad, adaptabilidad, mantenimiento y desempeño de la aplicación.

3. Envío de mensajes cortos 1. Diseño conceptual Para realizar envíos de mensajes cortos SMS entre un ESME y el SMSC, se debe crear una cuenta y configurarla con la información del ESME en la configuración del gateway MMS/SMS del operador. Allí mismo debe configurarse el número corto a través el cual se enviarán las notificaciones. Esta configuración puede permitir envío de SMS, recepción de SMS o ambas. Para este caso la configuración solo permite el envío de mensajes desde el ESME hacia el SMSC debido a que solo se utiliza para informar a los usuarios de la correcta o fallida recepción de los mensajes multimedia. En el ESME se configuran los datos de la cuenta (código corto, IP gateway, puerto, usuario y contraseña) para poder iniciar una sesión de tipo ESME transmitter con

En la etapa de diseño conceptual se analizan las actividades que realizan los usuarios por medio de diagramas de casos de uso, que describen detalladamente las actividades de cada usuario. Una vez se tienen los caso de uso se procede a pasar a la etapa de diseño lógico, traduciendo los casos de uso del diseño conceptual en el conjunto de objetos que conforman el sistema. 2. Diseño Lógico El diseño lógico comprende las siguientes tareas [17]: - Identificar y definir los objetos de la aplicación y sus características.

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- Definir las interfases. - Identificar las dependencias entre objetos.

Figura 1. Estructura por bloques el sitio

- Validar contra los escenarios de uso. - Comparar con la arquitectura de la empresa. - Revisar y refinar tanto como sea necesario. Para definir los objetos del sistema y sus características se puede emplear la técnica sujeto-verbo-objeto directo [17], y, luego se definen las interfases encargadas de permitir la comunicación con los objetos. El diseño lógico se divide en tres niveles o capas de servicios: - Nivel de servicios de usuario o capa de interfaz de usuario. Son interfases graficas o no visuales para facilitar el manejo de la información. - Nivel de servicios de negocio o capa de objetos. Se encarga de Transformar y validar la información desde y hacia la capa de datos. - Nivel de servicio de datos o capa de acceso a datos. Son los servicios de bajo nivel que apoyan los servicios de negocio y administra directamente los datos.

Los componentes de clases, plantillas e includes (archivos que realizan una funcionalidad específica dentro de una plantilla general) son ejecutados por el servidor y devueltos al usuario a través de la interfaz gráfica. Los scripts de navegador (Javascript) y hojas de estilos son ejecutados en el lado del cliente y son utilizados por todas las secciones que conforman el sitio. La interfaz de usuario interpreta estos componentes y muestra al usuario la información de tal forma que lo que es procesado en el servidor se devuelve en lenguaje HTML, siendo la ejecución de estas tareas transparente para él.

3. Diseño físico

La estructura por bloques de plantillas del sitio esta conformada por cuatro partes: Encabezado, Menú, Cuerpo y Pie de página.

Esta basado en componentes, en general reutilizables, scripts o librerías, con funciones muy específicas. Por ejemplo se puede tener una función que abra una nueva ventana del navegador. Dicha función se puede reutilizar si se maneja un parámetro donde pueda definir que URL puede abrir en la nueva ventana.

El acceso al sitio esta restringido por un usuario y una contraseña. Una vez el usuario ingresa sus datos la aplicación los compara con la información existente en la base de datos. Si los datos son correctos la aplicación abre una sesión para el usuario donde se crean tres variables identificador de usuario, nombre y perfil.

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En la capa de modelo de objetos de negocio se encuentran los scripts con cada una de las clases diseñadas en la fase de elaboración. Cada método de las clases es invocado desde las plantillas para devolver un resultado específico. Los atributos de las clases son los parámetros requeridos para que estas devuelvan la información solicitada correctamente. Las clases de la aplicación se comunican con las tablas de la base de datos a través procedimientos almacenados o store procedures. Dichos procedimientos son scripts realizados en lenguaje SQL y se encuentran guardados directamente en la base de datos. Los procedimientos almacenados optimizan las consultas con las bases de datos ya que la aplicación solo debe enviar los parámetros necesarios para su ejecución, evitando enviar consultas muy largas que podrían tardar más tiempo en ser recibidas cuando el servidor se encuentra en otra red.

la bandeja de entrada done se muestran las imágenes que han cargado vía MMS o vía Web.

Menú. Muestra al usuario las opciones a las cuales tiene acceso dependiendo del perfil. Es mostrado en la parte izquierda de la pantalla.

Los procedimientos almacenados pueden contener varias consultas. Cada consulta es solicitada enviando un parámetro de acción (p.e. Consultar Zonas). Estas consultas son llamadas funciones y pueden ser escritas con códigos condicionales para ser ejecutadas. Los procedimientos almacenados pueden crear y definir sus propios parámetros sin necesidad de ser enviados desde la aplicación.

4. RESULTADOS A continuación se muestra el resultado final de las principales pantallas de la aplicación. Bandeja de entrada. Cuando los usuarios representantes o gerentes de ventas ingresan a la aplicación lo primero que ven es

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VISIÓN DE CASO


Ventana emergente de información de la fotografía. Esta venta se muestra una vez se hace clic en la fotografía que se muestra en la bandeja e entrada.

Álbum final. Esta es la información que se muestra al usuario final una vez entra al álbum.

Conclusiones • Las metodologías de desarrollo de software brindan una gran base para la construcción de aplicaciones de software de pequeño, mediano y gran tamaño ya que brindan las herramientas necesarias para la correcta planeación, desarrollo e implementación. • Debido a que la mensajería multimedia permite no solo enviar imágenes sino también archivos de sonido, texto y presentaciones, el desarrollo de esta nueva aplicación utilizando el centro de mensajería multimedia abre el camino para realizar más aplicaciones similares que permiten la interacción del usuario con un sitio Web y su teléfono móvil. Entre estas se pueden destacar concursos de fotografía, registro fotográfico de usuarios en eventos para su posterior identificación, almacenamiento de archivos en un servidor remoto, transferencia de archivos entre móviles pasándolos a través de un servidor conectado a Internet, administración de archivos enviados vía MMS a servidor Web por medio de una aplicación Web, entre otros.

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VISIÓN DE CASO


VISIÓN DE CASO Clasificación del artículo: REFLEXión

AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS EN EL SECTOR PLÁSTICO: EL CASO DE UNA INYECTORA AUTOMATION OF PROCESSES IN THE PLASTIC SECTOR: THE CASE OF AN INJECTOR

Alfredo Chacón García1 Jaime Leonardo Martínez Rodríguez2 Edgar Yesid Torres Castro3

1

Ingeniero Electrónico de la Universidad Distrital, Especialista en Instrumentación Electrónica de la Universidad Santo Tomás, Msc. (c) en Ingeniería Electrónica de la Universidad Javeriana, integrante del grupo de investigacion INTEGRA de la Universidad Distrital. alfredochacon@yahoo. com

2

Ingeniero en control electrónico e instrumentación industrial, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. jaimeele76@hotmail. com

3

Ingeniero en control electrónico e instrumentación industrial, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. edgaryt@hotmail.com

Resumen En Colombia, la industria del plástico se ha caracterizado por ser la actividad manufacturera más dinámica de las últimas tres décadas, sin embargo, el procesamiento de piezas plásticas es realizado con tecnologías poco apropiadas para garantizar producción con buenas características; problema que se relaciona con el diseño, operación y control del equipo instalado en las empresas. El caso que nos ocupa es la reconversión tecnológica hecha en una planta de grifería, buscando el mejoramiento de la productividad a través de la reducción de tiempos de producción, la elevación de la calidad del producto y la disminución de costos. Este artículo describe el desarrollo de una automatización en una inyectora de plástico, implementando un sistema de control de movimientos incluyendo corepull, el control de temperatura –mediante un controlador lógico programable– y el control de presiones de inyección; el monitoreo agregado se realiza con la visualización, programada con un esquema algorítmico, que unifica la supervisión de la máquina para generar señales de alarma y verificación de su estado o del proceso, a través de interfaces de usuario. Palabras claves

Summary

Industria, Plásticos, Automatización, Control, corepull, inyectora, proceso, eficiencia, optimización.

In Colombia, the industry of the plastic has been characterized to be the manufacturer activity more dynamic of the last three decades, VISIÓN ELECTRÓNICA

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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS EN EL SECTOR PLÁSTICO: EL CASO DE UNA INYECTORA

however, the processing of plastic pieces is carried out with not very appropriate technologies to guarantee production with better characteristics; this is related with the design, operation and control of the equipment installed in the companies. This article describes the implementation of a control system by means of programmable logical controller in an injector of plastic of a fitting plant, oriented to the improvement of the productivity through the reduction of the time of production, to the increase of quality of the product and the decrease of costs, with the purpose of contributing to the profitability of the process and the consolidation of the company in the sector.

Key words

Industry, Plastics, Automation, Control, corepull, Injector, process, optimization, efficiency,

Introducción La creciente expansión en el uso de plásticos ha hecho que esta industria sea la de mayor desarrollo y crecimiento en el mundo. Particularmente en Colombia, la industria del plástico se ha caracterizado por ser, en condiciones normales, la actividad manufacturera más dinámica de las últimas tres décadas, con un crecimiento promedio anual del 7%. En el año 2000, la actividad transformadora de materias plásticas registró un valor de producción de 2.215 millardos de pesos (1.061 millones de dólares) y un valor agregado de 1.073 millardos de pesos (514 millones de dólares), con una contribución al total industrial nacional del 4% en las dos variables. En el mismo período, la energía eléctrica utilizada fue de 614 millones de kilowatios-hora, lo que equivale al 5,7% del consumo total

de la actividad manufacturera. En el año 2003 el sector de los plásticos exportó 249 millones de dólares FOB, con un promedio de participación del 3,3% en el total de las exportaciones industriales. En el mismo año, las importaciones de productos manufacturados de plástico alcanzaron los 260 millones de dólares, equivalentes al 2,2% de las importaciones industriales, [9],[10]. Sin embargo, en general, el procesamiento de piezas plásticas a nivel local, es realizado en forma muy empírica y rudimentaria en algunas empresas, con tecnologías poco apropiadas para garantizar la producción y buenas características de las piezas; esto está relacionado con el diseño, operación y control del equipo instalado, [9],[10]. El caso de estudio, es una planta de grifería colombiana del grupo Colcerámica dedicada a la producción de mueble plástico. Aunque la planta de dicha organización cuenta con la tecnología necesaria que le permite estar homologada por empresas de gran prestigio a nivel latinoamericano; y el negocio de mueble cuente con inyectoras “CINCINNATI”, “REED PRENTICE”, “MIR”, las cuales se encuentran a la vanguardia en tecnología del proceso de la inyección de plástico; se busca optimizar el funcionamiento de las mismas, con el fin de aumentar su rendimiento productivo a partir de la aplicación de técnicas de automatización y la implementación de elementos libres de mantenimiento. El objetivo es disminuir los costos que la maquina le produce a la empresa causado por el alto número de paros por mantenimiento, y por rotura de las piezas inyectadas. Detectando que una alternativa al problema pasaba por la renovación del control de la máquina –hecho bajo lógica cableada con

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VISIÓN DE CASO


elementos de control electromecánicos–, se busca implementar en las inyectoras, un confiable sistema de control junto con la reingeniería del sistema hidráulico.

● Temperatura:

Los parámetros escogidos para optimizar el ciclo productivo de la máquina, fueron el de regulación de presiones, movimientos generales –en el ciclo de inyección–; y regulación de temperaturas para mantenerlas en zonas dentro del rango permisible de inyección –del barril inyector–. Por otra parte, se impone la necesidad de unificar, a través de un algoritmo, la supervisión de la máquina para generar señales de alarma y verificación de su estado o del proceso. Finalmente, se busca un control general de la máquina centralizado en un controlador lógico programable o PLC, para asumir la interrelación de todas las entradas y salidas que se requieren para el desarrollo del ciclo automático, incluyendo además las señales análogas de temperatura y presión.

• Se hace peligroso el proceso tanto para la máquina como para el operario, pues no se monitorea la temperatura en el aceite.

1. Condiciones previas de operación de la inyectora

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El corepull puede definirse como un agregado mecánico que hace ingresar o salir insertos en los machos con agujeros de moldes en las inyectoras, la traducción significa tracción de núcleos o saca núcleos; para construcción de piezas se programan secuencias de corepull donde son necesarios movimientos en presencia de condiciones de vacío, temperatura y presiones específicas

El control de la máquina para los ciclos de inyección y cierre de prensa, son en general realizados mediante accionamientos electromecánicos (relés, contactores y temporizadores manuales). El control de temperatura on-off, mediante pirómetros análogos de configuración manual que controlan, mediante corte y energización, las resistencias calefactoras del barril durante tiempos constantes (7 segundos en el encendido y 3 segundos en el apagado). En síntesis, un sistema de control de estas características sin corepull4, además de no permitir a la máquina realizar otras referencias de producción, es inadecuado ya que se constata que en cuanto a:

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• Se alcanzan temperaturas de hasta 30°C por encima del valor de set point fijado por zona.

● Presiones: • No existe un manejo de presiones necesario para realizar los procesos de inyección y cierre de prensa. La máquina trabaja bajo solo dos niveles de alta presión: 2000 p.s.i y la presión de trabajo 500 p.s.i, es decir, para un movimiento de prensa a presión constante, se suelen presentar colisiones (choque brusco entre las caras fija y móvil del molde) lo que eventualmente produce fisuras en los moldes instalados en la máquina; por ello en la inyectora solo era posible el montaje de sólo dos tipos de moldes para la fabricación correspondiente de herrajes. En cuanto a temporizaciones y movimientos: ● Son realizadas en forma análoga y de ajuste manual, implicando que los tiempos de inyección sean tan inexactos que afectan directamente el rendimiento de la máquina. ● El movimiento de la unidad de inyección es manual usándose para ello, un selector de dos posiciones. En cuanto al monitoreo: ● No se permite monitorear la presencia de material en la tolva, lo que significa


AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS EN EL SECTOR PLÁSTICO: EL CASO DE UNA INYECTORA

que al no existir material para inyectar, la máquina sigue trabajando sin realizar ningún estado de paro o alarma, incrementando el consumo de energía y un desgaste innecesario. ● No se cuenta con un monitoreo de temperatura en el cuello de la tolva; ocasionando allí un apelmazamiento de material, y es necesario, en tal caso, suspender el proceso y llevar la máquina a condiciones iniciales de arranque manual.

● En general, no se emitían señales de alarmas de falla ni señalización de paradas de emergencia o de funcionamiento normal.

2. Desarrollo metodológico para la implementación El siguiente Diagrama de flujo, muestra los pasos realizados para la investigación y desarrollo de la alternativa .

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VISIÓN DE CASO


3. Modelamiento físico de la máquina Figura 7. Sistema hidráulico (prensa e inyección) 3.1. Modelamiento del sistema térmico Este sistema involucra los conceptos de transferencia de calor de una sustancia a otra y de las características convectivas del cilindro el cual se analiza en términos de resistencia y capacitancia térmica. La función de transferencia se obtiene partiendo de que la temperatura del termoplástico que entra se mantiene constante y que el flujo de calor de entrada del sistema cambia, al igual que la salida cambien de manera proporcional a la entrada [6]; la función de transferencia de la temperatura respecto al flujo es: (1) Reemplazando valores según características propias del barril inyector de la máquina se obtiene: (2) y la respuesta en Matlab para este sistema es: 4.2. Modelamiento sistema hidráulico Para el análisis del sistema hidráulico, mostrado en la figura 7, se toman los dos

Figura 6. Respuesta del sistema en lazo abierto

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cilindros de accionamiento de inyección y prensa, como dos tanques conectados mediante una tubería de resistencia (R) para el flujo de líquido en la tubería. Esta resistencia se define como: (m3/seg) (3) Otra de las variables ínteractuantes es la capacitancia (C) y se define como: (4) Resultado del análisis de las ecuaciones de caudal y desplazamiento del sistema se obtiene la siguiente función de transferencia: (5)

Figura 8. Respuesta del sistema hidráulico en lazo abierto


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4. Descripción de la alternativa El control general de la máquina se realizó mediante controlador lógico programable PLC de marca OMRON (CPM2A), [3]; el cual se programó para que reciba y procese cada una de las señales de alarma que genera la máquina.

Tabla 2. Descripción de salidas controlador de la inyectora

4.1. Entradas y salidas del “PLC”´ Las entradas digitales corresponden a finales de carrera dispuestos como condiciones de seguridad de las puertas frontal y trasera de la prensa, altura de molde, corepull arriba y abajo, expulsión adelante y atrás, señal de prensa abierta de respaldo, sensor inductivo unidad adelante, microswitch de protección de purga, sensor de nivel de aceite de tanque. Cada uno de estos sensores, mostrados en las tablas 1 y 2, está alimentado al igual que las salidas con una fuente de alimentación externa de 24 Vdc.

Tabla 1. Descripción de entradas controlador de la inyectora

4.2. Señales de control análogas Para realizar el monitoreo de la posición de la prensa y del tornillo inyector se realiza mediante potenciómetros lineales [4], que para la prensa permite crear zonas de diferente valor de presión durante el cierre y la apertura y para la inyección permite configurar la cantidad de material a inyectar. De igual manera el control del elemento de presiones “válvula de control proporcional”, requiere una señal de “set point” con un rango de 24 Vdc. para obtener la presión de salida. Para ello, el controlador cuenta con un módulo de entradas y salidas análogas el cuál direcciona las señales de los poten-

Figura 9. Potenciómetro de prensa y configuración de zonas de desplazamiento.

La activación de cada solenoide se realizó mediante relés de estado sólido (voltaje de control de 24Vdc y potencia 110Vac.) entre la salida y el solenoide con el fin de realizar un apantallamiento de cada una de salidas del controlador.

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VISIÓN DE CASO


ciómetros a registros de trabajo del PLC; de igual forma el valor de referencia de la válvula de control es proporcionado por un registro de memoria del PLC. Las señales de los potenciómetros lineales brindan una ventana útil de 0 a 10 Vdc, escalizada a cm, para determinar la posición del elemento y su visualización. El control de presiones es realizado mediante dos elementos: la válvula reguladora de presión de acción directa con mando eléctrico proporcional y la unidad electrónica de mando para válvulas proporcionales de monosolenoide en lazo abierto [5], la cual suministra a la válvula reguladora una corriente variable proporcional a la señal de referencia en entrada e independiente a las variaciones de temperatura e impedancia de carga.

así realizar las operaciones necesarias para programar el modo de control encada una de las zonas del barril inyector. El control de temperatura del barril se realizó partiendo del estudio de las condiciones que requiere el sistema para realizar la fundición del termoplástico; la condición principal es la de mantener un valor de temperatura con un máximo de oscilación del 10% del valor fijado del “set point”; como primer paso de este estudio se tomaron de mediciones sucesivas del comportamiento térmico por zona encontrando valores de sobreimpulso de hasta 48°C y oscilaciones máximas de 25°C para alcanzar el valor de “set point”.

El control de temperaturas del barril inyector se realiza mediante el modulo de temperaturas OMRON que recoge las señales de cada una de las termocuplas de las zonas del barril en rangos de tensión de 0 a 24 Vdc, en un registro del PLC, permitiendo

Por ser el modelo físico del cilindro inyector un sistema RC de primer orden en el que intervienen las variables de resistencia y capacitancia térmica; un sistema de estas características presenta una inercia térmica muy alta lo que hace que la respuesta sea muy lenta. Para contrarrestar este efecto se programa un modo de control, figura 11, en el cual la salida oscila entre un valor límite máximo y mínimo; dicho valor mínimo

Figura 10. Válvula reguladora de presiones con control proporcional

Figura 10. Válvula reguladora de presiones con control proporcional

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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS EN EL SECTOR PLÁSTICO: EL CASO DE UNA INYECTORA

Figura 12. Respuesta zona 1 del barril

El software de programación del controlador bajo lenguaje LADDER define 14 secciones de programa: - Distribución de entradas y salidas digitales. - Configuración de entradas y salida análoga. - Ciclos de máquina manual, automático semiautomático. - Alarmas (se programan los estados de paro, fallo y alarma de la inyectora). - Definición de condiciones iniciales de arranque de la máquina.

y máximo crea una ventana de histéresis dentro de la cual está presente el valor fijado de “set point”; dependiendo de la amplitud de la ventana la oscilación alrededor del “set point” será mayor o menor; dicha oscilación no debe sobrepasar el 10% del valor de “set point” fijado según parámetros para la inyección de termoplástico. La figura 12 muestra el comportamiento de la zona 1 del barril; con un “set point” de 240°C; se aprecia una sobreoscilación de 12°C, estando dentro del máximo calculado del 5% del valor de “set point”; tras el período en que se toman las muestras la temperatura se mantiene dentro del canal de histéresis. 4.2.1. Programación de secuencia de máquina La programación del PLC se basó en conceptos de automatización de procesos industriales GRAFCET y GEMMA [2]; herramientas que dan pautas para una programación ordenada de cada una de las funciones de máquina; mediante las pautas de GEMMA se programan los estados de marcha, paro, alarma de la máquina.

- Algoritmo de control de temperatura del barril. - Ciclo de cierre y apertura y de prensa. - Ciclo de expulsión. - Secuencias de corepull. - Ciclo de inyección. (cadenas de temporización de ciclo para cambios de presiones y ciclo de cargue de material). - Secuencia de desprendimiento de vela. - Altura de molde.

5. Panel de programación Como medio de comunicación entre hombre y la máquina se implementó un panel de programación touch screen, mediante la programación de 54 pantallas donde se fijan condiciones del ciclo de máquina, se accesan y programan cada una de las funciones de la máquina, e ilustra al operario el estado en que se encuentra la inyectora. La programación del PCL y del panel touch screen se realiza en forma conjunta mediante su respectivo software de programación CX PROGRAMMER, en lenguaje LADDER

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VISIÓN DE CASO


Figura 13. Panel de programación operador” touch screen”

Figura 15. Configuración y visualización de condiciones de inyección

y EZ WARE-500 cuya librería permite leer y escribir el contenido de un registro de 16 bits o el estado de una dirección digital, [7].

- Unidad de inyección. El grupo de pantallas de inyección permiten configurar las cadenas de temporización propias del ciclo, presiones de ejecución del ciclo, temperaturas de cada una de las zonas del barril, cantidad de material a inyectar y contador de expulsiones.

La figura 13 ilustra el menú principal programado para el control de la máquina; dentro de las que más se destacan: - Reconocimiento de máquina. - Ciclo de trabajo de la máquina. Manual, semiautomático, automático. - Prensa. Configuración y visualización de parámetros de prensa como son presiones de cada una de las zonas de prensa.

Figura 14. Configuración y visualización de condiciones de prensa

- Alarmas. La programación de las alarmas se realizó con la ayuda de parámetros de estado de paro y alarma GEMMA; las señales de alarma se clasifican en: - Paro total de máquina. - Paro a condiciones iniciales de máquina. Los estados de alarma se programaron de acuerdo a condiciones de seguridad de la máquina, la producción y el operario: - Pulsador de paro de emergencia. - Señal de bajo nivel de aceite. - Alta temperatura del aceite. - Señal de relé térmico. - Temperatura crítica del barril. - Apertura de puerta de seguridad trasera durante ciclo.

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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS EN EL SECTOR PLÁSTICO: EL CASO DE UNA INYECTORA

Figura 16. Mando manual de altura de molde

- Alarma por protección de molde. - Alarma por cargue de material. Cabe resaltar que la máquina permite realizar el accionamiento manual de todas y cada una de las funciones de máquina; dentro de ellas se destacan: - Altura de molde. Accionamiento de motor hidráulico del carro de prensa. - Ciclos de corepull. Las secuencias de corepull son cuatro ciclos anexos al ciclo total de máquina, requeridos por ciertos tipos de moldes en los cuales se producen piezas con roscados y vacíos. La implementación de estas funciones de la máquina hablan del aumento del desarrollo productivo de la inyectora. El menú ofrece la selección del ciclo reque-

Figura 17. Secuencia 1 de ciclos de corepull

Figura 18. Mandos manuales para la realización de cargue manual.

rido y la realización de mandos manuales en “secuencia ordenada”. - Cargue de material. La configuración de la cantidad de material a inyectar depende de la posición del tornillo que es escalizada por el potenciómetro lineal de inyección.

6. Resultados - El trabajo de reingeniería realizado a la inyectora permite realizar un ciclo de máquina mas seguro gracias al acondicionamiento y configuración de estados de alarma. - Con la investigación y desarrollo de la alternativa, se obtuvo una significativa optimización de la máquina, aumentando así su rendimiento productivo reflejado en el aumento de la producción de un promedio de 2046 piezas inyectadas por turno a 3311 según EGP [8] de la máquina; con la implementación de elementos libres de mantenimiento, lo que disminuyo la cantidad de paros por mantenimiento de un 15% a un 2%. - Con el control de temperatura realizado mediante controlador lógico programable

61

VISIÓN DE CASO


y el control de presiones de inyección, se disminuyo de un 3% de rotura promedio (piezas defectuosas por deformación a causa de altas temperaturas, falta de llenado de las cavidades del molde por baja presión, desengatillaje de prensa en el momento de la inyección por sobrepresiones, perdida de rigidez de la pieza inyectada por bajas presiones de inyección). - La implementación de señales análogas (potenciómetros lineales, válvula de control proporcional, termocuplas del barril inyector) permitió programar los cambios de presión requeridos para realizar los movimientos de prensa evitando ocasionar daños en las placas del molde, y en la inyección permite fijar presiones en los puntos requeridos de cambio. - El desempeño de la máquina se incrementó al obtenerse una disminución del tiempo de ciclo de 48 segundos a 31 segundos para la inyección de piezas con el molde comodor , obteniendo un rendimiento alto respecto al número de piezas inyectadas, debido a que los tiempos de inyección son más exactos al igual que los tiempos de respuesta y de accionamiento. - La adaptación del manejo de presiones permite fijar los diferentes valores de presión tanto para los movimientos de prensa como los necesarios para el ciclo de inyección; esto le permite al operario realizar un ajuste más fino de las condiciones requeridas para cada molde. Aumenta así el rendimiento de la máquina pues permite montar un mayor número de moldes: de 2 moldes se pasa a permitir que sean montados hasta 10 diferentes moldes. - La máquina ofrece un ahorro sustantivo en el consumo de materia prima debido

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a la disminución del porcentaje de rotura cercano al 1% y que anteriormente era del 3% de la producción de la máquina. Se disminuye así el consumo de materia prima, debido a la disminución en el peso total de la pieza inyectada (sin que la pieza haya perdido sus características propias de rigidez). - Con el aumento del número de piezas inyectadas se disminuye el consumo de energía, pues se está inyectando un mayor número de piezas (de 2046 antes de la automatización a 3311 piezas por turno); de igual manera el consumo de potencia eléctrica disminuye con la utilización de elementos de control discreto y del control de temperatura del barril inyector.

Conclusiones Para las plantas de plásticos en la industria Colombiana, la adquisición de una máquina implica además del valor de la máquina, los costos de importación, envío e impuestos de nacionalización. La reconversión tecnológica resulta una solución alternativa fiable a menor costo. Igualmente, encontramos ahorros tanto en materia prima, gastos de sostenimiento (consumo de energía eléctrica, mantenimiento preventivo y correctivo). Suponiéndose que la recuperación de la inversión se realice en un termino no menor a 4 años; aún así se cuenta un aumento en la producción de aproximdamente 450 piezas por hora. Finalmente, se beneficia el operario ya que no se ve desplazado y por el contrario se le alivia la carga laboral encargándose con mayor atención del control de calidad del producto; para ello no se requiere un mayor grado de especialización, descartándose la sustituibilidad.


AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS EN EL SECTOR PLÁSTICO: EL CASO DE UNA INYECTORA

VISIÓN DE CASO

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VISIÓN DE CASO Clasificación del artículo: REFLEXión

MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN UN SISTEMA MONOFÁSICO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO MENSURATION OF HARMONIC IN A MONOPHASIC SYSTEM: DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A PROTOTYPE Alfredo Chacón García1 Carlos Javier Ruiz Moreno2

RESUMEN

1

2

Ingeniero Electrónico de la Universidad Distrital, Especialista en Instrumentación Electrónica de la Universidad Santo Tomás, Msc. (c) en Ingeniería Electrónica de la Universidad Javeriana, integrante del grupo de investigacion INTEGRA de la Universidad Distrital. alfredochacon@yahoo.com Tecnólogo Electrónico de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. carlos_ruizmoreno@ yahoo.es

El presente artículo describe la implementación de un prototipo para la medición de armónicos en un sistema monofásico. En la primera parte del artículo se muestra el funcionamiento de la etapa de captura de las señales destacando la utilización de la bobina de Rogowski que, junto con un integrador, completa el transductor que proporciona un voltaje que reproduce la señal de corriente. Posteriormente se hace la descripción del procesamiento digital que se realizó para obtener las amplitudes de los armónicos, implementando la FFT (Fast Fourier Transform), utilizando para esta etapa un microcontrolador. Finalmente, luego del acoplamiento de la totalidad de etapas del diseño, se concluyen algunos resultados que demuestran su correcto funcionamiento. Palabras clave

Armónicos, Bobina de Rogowski, FFT (Transformada Rápida de Fourier)

Summary

This paper describes the electronic prototype implementation of harmonic measurement in monophasic systems. The first part describe the capture stage of the signals using the Rogowski coil, before it describes the digital

Key Words

Harmonics, Rogowski coil, FFT (Fast Fourier Transform) VISIÓN ELECTRÓNICA

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processing made to obtain the harmonics amplitude, using the FFT (Fast Fourier Transform), developing the algorithm in a microcontroller for the digital of signal processing. Finally it shows the operation of the remaining stages and the final process of joining of all them.


MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN UN SISTEMA MONOFÁSICO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO

Introducción Debido al uso en la industria de conversores de potencia, cargas no lineales y consumidores en general; ha venido creciendo la presencia de armónicos en las líneas de distribución. Esto ha causado un deterioro en la calidad de la energía, manifestado en aspectos tales como perturbaciones en las formas de onda de voltaje y de corriente, desequilibrio de tensión o corriente, entre otros; lo que resulta en grandes pérdidas, problemas de interferencia en los sistemas de comunicación y algunas veces en fallas de operación de equipos electrónicos. Es importante entonces el conocimiento de las redes eléctricas y de la calidad que en ellas se presenta, a través de indicadores significativos. En el caso que nos ocupa, se propone el diseño de un prototipo electrónico que permite identificar los problemas y contaminantes que afectan la calidad eléctrica de la red. El dispositivo que se ha implementado como prototipo, tomará muestras de la señal, sean estas de corriente o de voltaje; posteriormente las almacenará y procesará para obtener información como amplitud de los armonicos, valor RMS y distorsión armónica total (THD) del sistema. Durante el desarrollo de este artículo se quieren mostrar los conceptos teóricos básicos que subyacen al problema, y el funcionamiento del dispositivo. Para tal fin, en la primera parte, se exponen definiciones importantes como distorsión armónica, características de funcionamiento de la bobina de Rogowski y la implementación del algoritmo FFT (Fast Fourier Transform) que ayudarán a interpretar la descripción de cada una de las etapas de diseño del prototipo. Por último se mostrarán los

resultados del funcionamiento de estas etapas y del dispositivo como tal.

1. Generalidades 1.1 Distorsión armónica Las corrientes armónicas ocasionadas por las cargas no lineales pueden ocasionar distorsión armónica en el voltaje del sistema. Esta distorsión generalmente ocurre en múltiplos de la frecuencia fundamental (Figura 1). Así, sobre un sistema de potencia de 60 Hz, la onda armónica tiene una frecuencia expresada por: (1) Los armónicos son caracterizados frecuentemente por un factor de distorsión armónica (DF) definido como:

(2)

El factor de distorsión puede usarse para caracterizar tanto la distorsión en las ondas de voltaje como de corriente. La distorsión

Figura 1. La Onda Senoidal a la Frecuencia Fundamental (60 Hz) y Armónicos: 2do (120 Hz); ro to to 3 (180 Hz); 4 (240 Hz); y 5 (300 Hz).

65

VISIÓN DE CASO


armónica total (THD) es el factor de distorsión que incluye a todos los armónicos relevantes.

a la derivada de la corriente (di/dt) por lo cual es necesario integrarla para conseguir la señal apropiada.

1.2 Sensor de corriente

1.3 Transformada de Fourier

La lectura del voltaje se consigue al dividir el voltaje de la línea por medio de un divisor resistivo o un transformador de potencial cuando se necesita aislamiento de la línea. Por otro lado, la medición de corriente es algo un poco más complejo, debido a que es necesario tener un rango de medición mayor y un rango de frecuencias más amplio dado el rico contenido de armónicas en la onda de corriente [1].

La transformada de Fourier es una herramienta fundamental en el procesamiento de señales. En computaciones digitales para secuencias de duración finita, es posible desarrollar una representación alterna de Fourier, conocida como la Transformada Discreta de Fourier (DFT). La DFT es una secuencia en lugar de una función de variable continua, y corresponde a muestras equidistantes en frecuencia, de la Transformada de Fourier de la señal.

1.2.1 Bobina de Rogowski

1.3.1 Transformada de Fourier de Tiempo Discreto DTFT

El método de medición de corrientes usando la Bobina de Rogowski es poco conocido con relación a otros como los transformadores de corriente o los sensores de efecto Hall, pero posee entre otras cualidades la capacidad de medir corrientes en valores altos tanto de amplitud como de frecuencia. La bobina de Rogowski se puede considerar como una aplicación de la ley de Ampere. Una bobina de Rogowski trabaja sensando el campo magnético que circula alrededor de un conductor, y esta ley relaciona la corriente que fluye en este conductor con su campo magnético circundante [2]. Así según la ley de Ampere para una corriente alterna el voltaje de salida de la bobina esta dado por la razón de cambio del flujo: (3) La bobina Rogowski trabaja midiendo los cambios del campo magnético que se producen alrededor de un hilo conductor que transporta una corriente para producir una señal de voltaje, esta señal es proporcional

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Se define la (Transformada de Fourier de Tiempo Discreto) de una señal discreta x[n] como: (4) Esta expresión genera una función continua correspondiente al contenido frecuencial de la secuencia x(n), este contenido frecuencial se le conoce como espectro de frecuencia de la señal x(n), y la expresión (4) corresponde a la definición de la DTFT de x(n) la señal discreta [3]. Sin embargo, a la hora de realizar operaciones seguimos tratando con señales continuas. Lo que se busca es discretizar las variables continuas y limitar el número de muestras en los dominios temporal y frecuencial. Esto nos lleva a definir la DFT (Transformada Discreta de Fourier). 1.3.2 Transformada Discreta de Fourier Tenemos una señal x[n] limitada a N muestras con un periodo de muestreo ts. La DTFT se define como:


MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN UN SISTEMA MONOFÁSICO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO

(5) Donde Xp(f) es periódica con periodo 1/ts. Muestreamos esta señal N veces sobre un periodo, por tanto Xt[k] será sustituir f por k / (Nts): (6)  La expresión resultante es la Transformada Discreta de Fourier de una señal x[n]. 1.3.3 Transformada rápida de Fourier El cálculo del DFT requeriría en total, N2 multiplicaciones complejas y N2 sumas complejas para realizar un DFT de N puntos. Lo que consigue el algoritmo FFT (Transformada rápida de Fourier) es simplificar el cálculo del DFT introduciendo “atajos” matemáticos para reducir el número de operaciones [4],[6]. El DFT de una secuencia x[n] se puede definir como: k=0, 1,…, N-1

(7)

Donde , el proceso de cálculo del DFT está basado en la Simetría y Periodicidad de los términos WN :

(10)

k=0, 1,…, N/2-1

En las ecuaciones (9) y (10) X[2k] y X[2k+1] son los resultados de la DFT de N/2 puntos realizada con las suma y la diferencia entre la primera y segunda mitades de la secuencia de entrada.

2. Características del prototipo Para que el prototipo cumpla con los requerimientos antes mencionados se trabajó en el diseño de diferentes etapas, en la Figura 2 podemos ver el diagrama de bloques planteado. 2.1 Captura de información de la red 2.1.1 Sensor de corriente Para tomar los datos de la red y traducirlos a voltajes manejables, se trabajó en el diseño de una bobina de Rogowski que permite obtener la forma de onda de la señal de corriente. Esta bobina tiene una buena respuesta a baja frecuencia, proporciona

Figura 2. Diagrama de bloques del prototipo

1.3.4 Algoritmo FFT Cooley-Tukey radix-2, decimación en frecuencia La decimación en frecuencia se obtiene dividiendo la secuencia de salida (X[k]) en dos ecuaciones, una para los índices pares y otro para los impares. (9) k=0, 1,…, N/2-1

67

VISIÓN DE CASO


Figura 3. Prototipos Bobina de Rogowski

Figura 3. Prototipos Bobina de Rogowski

aislamiento y es de fácil instalación, entre otras buenas características [2]. A continuación se muestran los diseños realizados (figura 3), y en la tabla 1. las características de los diseños, que permitieron analizar el comportamiento de la bobina.

miento fue el #3, resaltado, escogido para el diseño de las siguientes etapas.

Tabla 1. Características de los diseños Tipo de Bobina

Prot. #1

Prot. #2

Prot. #3

Prot. #4

Prot. #5

Rígida

Rígida

Rígida

Flexible

Rígida

Forma Area Transversal

Circul.

Rectan

Rectan

Circul.

Rectan

Area Transversal (At)

154u

280u

500u

156u

28u

Numero de Vueltas (N)

226

492

763

1200

500

Material Nucleo

Caucho (Aire)

Caucho (Aire)

Silicona (Aire)

Caucho (Aire)

Caucho (Aire)

Constante (K)

0.0437u

0.1731u

0.1724u

0.0433u

0.0128u

k=At*N*u0 u0=1,256637061u, permeabilidad del aire

La expresión k es tomada de la ecuación (3) que representa el voltaje de salida de la bobina. El prototipo de mejor comporta-

68

Para obtener la señal de corriente es necesario integrar el voltaje a la salida de la bobina, el integrador usado tiene una ganancia alta ya que la señal de voltaje, inducido en la bobina, tiene una amplitud pequeña. 2.1.2 Sensor de voltaje Para sensar el voltaje de la red, debe implementarse un divisor resistivo, como el mostrado en la Figura 4, donde se observa el circuito divisor de voltaje que permite obtener la forma de onda del voltaje de la red. 2.1.3 Acondicionamiento de señal sensor de corriente Para la etapa de acondicionamiento del sensor de corriente se usó un filtro RC que permitió eliminar la componente DC de la señal de salida del integrador, posteriormente se implementó un Amplificador inversor que permitió dar a la señal una ganancia aceptable, figura 5. Por ultimo a la salida del amplificador se colocó un circuito sumador inversor que


MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN UN SISTEMA MONOFÁSICO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO

Figura 5. Amplificador inversor parte del acondicionamiento de señal

centró la señal en 2.5v para la etapa posterior de conversión A/D. 2.1.3 Acondicionamiento de señal, sensor de voltaje Con este acondicionamiento se busca dar a la señal capturada por el sensor, el nivel DC requerido para la siguiente etapa, sumando a la señal de salida del sensor, una componente DC. Cabe anotar que el diseño de esta etapa debe tener en cuenta el requerimiento de impedancia de entrada del conversor A/D, utilizado en la siguiente etapa, ver [5]. 2.2 Almacenamiento de la información En esta etapa, la información obtenida de los sensores, es guardada para su posterior procesamiento. Como se requiere realizar un tratamiento digital a la señal, debe primero implementarse un bloque de conversión A/D seguido de otro bloque de almacenamiento.

PIC18F452 de Microchip [5]. Con un valor de conversión de 8 bits para una resolución de aproximadamente 20mV. Puesto que en realidad lo que se pretende es realizar la DFT a las señales obtenidas por los sensores, mediante un algoritmo FFT para obtener su espectro [4], para la conversión Análoga/Digital se tuvieron en cuenta los criterios mencionados en la sección 2.3.2. Para N=128, es decir 128 muestras de un periodo de la señal con periodo T=1/60Hz. La frecuencia de muestreo esta dada por: fS = (1/60Hz)/N = 7680Hz Con una frecuencia de muestreo de 7680Hz tiene un periodo de muestreo aproximado de 130.2µs, es decir que el conversor tomará una muestra de la señal cada 130.2µs 2.2.2 Almacenamiento Los 128 datos obtenidos por el conversor A/D son almacenados en registros de 16 bits, es decir 2 bytes por dato, dentro de la memoria RAM del microcontrolador PIC18F452. Esta memoria está en capacidad de almacenar 1536 bytes. Adicionalmente, es posible si se desea almacenar resultados de mediciones para analizarlos posteriormente. Para esto se utiliza una memoria EEPROM externa de 256Kbit (32K x 8) 24LC256 de Microchip que maneja comunicación I2C y tiene un ciclo de escritura de entre 4 y 5 ms [6]. Esta, permite guardar los resultados de varias mediciones. 2.3 Manipulación de la información

2.2.1 Conversión Análoga/Digital Para la conversión se utiliza un modulo de conversión A/D del microcontrolador

2.3.1 Análisis y procesamiento de la información El dispositivo que se escogió para este procesamiento fue el PIC18F452 [5], que

69

VISIÓN DE CASO


permite almacenar el número de puntos requeridos (muestras tomadas de la señal). Para la obtención de las amplitudes armónicas de la señal, a partir de las muestras o puntos tomados por el conversor, se implementó la FFT (Fast Fourier Transform). Se trabajó el algoritmo Cooley-Tukey Radix-2 Decimación en Frecuencia (ver sección 1.3) que es simple y es comúnmente el más utilizado. Para realizar este algoritmo se tomaron 128 puntos. Con esta longitud de FFT es posible ver la respuesta frecuencial de la señal a frecuencias mayores de 2580Hz, lo que permite observar las amplitudes de las primeras 42 frecuencias armónicas. 2.3.2 Selección de tarea y visualización de resultados Esta etapa corresponde a la manipulación del prototipo. Se controla la etapa de Procesamiento y análisis antes mencionada. Para realizar mediciones, se visualizan los resultados transmitiéndolos al computador. Esta etapa se implementó también dentro del PIC18F452 con una memoria externa EEPROM (Sección 2.2.2) que permite almacenar resultados de mediciones realizadas para su posterior análisis o transmisión. 2.4 Procesamiento por software 2.4.1 Transmisión de la información Esta etapa se realizo a través de una comunicación entre el microcontrolador y el computador, transmitiendo los datos obtenidos de la medición usando la interfase RS232, Half duplex. Para efectos de esta transmisión se utiliza el modulo USART del Microcontrolador, en el modo asíncrono, a una velocidad de 9600 bps [5], para lue-

70

go implementar un circuito de conversión de niveles de voltaje, usando el MAX232, para convertir los datos al formato bipolar no retornó a cero (NRZ) manejado por el puerto serial. A través de una aplicación desarrollada en el computador los datos enviados por el microcontrolador son recibidos y almacenados. 2.4.2 Analisis en el PC En esta etapa se visualizan, a través de una aplicación en Builder® C++, los datos transmitidos por el microcontrolador, graficando los resultados de la medición, permitiendo ver una aproximación tanto del espectro como de la señal analizada. Adicionalmente se mostrará información como el tipo de señal (corriente, voltaje o señal de prueba) y el THD de la misma. La aplicación permite, además, almacenar esta información para su posterior consulta en un archivo de texto.

3. RESULTADOS 3.1 Etapa sensórica Se destaca la obtención de un sensor de corriente teniendo en cuenta el comportamiento de los distintos prototipos de bobina de Rogowski e integradores desarrollados, figura 3. Este sensor tiene una sensibilidad aproximada de 0.5392 V/A (voltios en amperios). Para comprobar la linealidad del sensor se realizaron pruebas con distintos valores de corrientes: desde 160mA hasta aproximadamente 2 A, con un voltaje senoidal variable con frecuencia 60Hz y una resistencia de R = 23,2Ω como se indica la figura 6. Para estas pruebas se modificó la sensibilidad del sensor a 1 V/A (voltios por amperio).


MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN UN SISTEMA MONOFÁSICO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO

Figura 7. Forma de onda Bobina de Rogowski para la corriente de entrada del Dimmer

Figura 6. Circuito de pruebas de linealidad

Los resultados de esta prueba se observan a continuación en la tabla 2.

Figura 8. Medición realizada para obtener la corriente de entrada al Dimmer

Tabla 2. Resultados Pruebas de linealidad Bobina de Rogowski Resistencia

Voltaje Sensor

Corriente (A)

Sensor (V)

23,2

3,8

0,163

0,162

23,2

8,1

0,349

0,356

23,2

12,5

0,538

0,544

23,2

16,6

0,715

0,72

23,2

21

0,905

0,9

23,2

25,2

1,086

1,10

23,2

29,6

1,275

1,26

23,2

33,6

1,448

1,45

23,2

38,4

1,655

1,66

23,2

44

1,896

1,89

En la figura 7 se observa el comportamiento del sensor para la carga no lineal a partir de un TRIAC, mejor conocida como Dimmer. Con el menor ángulo de disparo del TRIAC, el circuito se ve en la figura 8. Para realizar una verificación de la señal obtenida con la Bobina de Rogowski se procedió a comparar el resultado de esta con el obtenido usando la técnica de shunt de corriente, figura 9. A continuación se muestra el circuito con el que se realizó la

Figura 9. Medición de corriente usando la técnica de shunt de corriente

medición y la forma de onda obtenida con esta técnica. Cabe anotar que el circuito de shunt de corriente tiene una sensibilidad aproximada de 1 V/A. A partir de un divisor resistivo, se obtuvo el sensor que permitirá analizar la señal de voltaje. A continuación se puede ver la

71

VISIÓN DE CASO


Figura 10. Forma de onda shunt de corriente, para la corriente de entrada del Dimmer

Cabe aclarar que estos valores son expresados en dB y analizados con respecto al valor de la fundamental siendo el valor de esta 0 dB.  Señal Cuadrada Con una Amplitud de A = 2vp y una frecuencia f = 60Hz

Tabla 3. Comparación de resultados Señal cuadrada Figura 11. Forma de onda a la salida del sensor de voltaje

forma de onda de la salida del acondicionamiento para este sensor. El sensor tiene una sensibilidad de 0.01416V / 1V. 3.2 Algoritmo FFT Se implementó un algoritmo [6], que permite obtener las amplitudes de los primeros 21 armónicos con mínimos porcentajes de error y una exactitud aceptable. A continuación se realiza una comparación de los resultados obtenidos por el prototipo para distintas señales. Esta comparación se hace con respecto a las mediciones tomadas por el combiscope Fluke PM3370B y los resultados del modelo matemático. Adicionalmente se presentan los porcentajes de error de las mediciones del Fluke contra los resultados del algoritmo FFT.

72

Error relativo Flk- Prot (%)

Frec.

Valor Mat.

Valor Mat. (dB)

Valor Fluke (dB)

Valor Proto.

Valor Proto. (dB)

60

2,546

0

0

2,5588

0

180

0,848

-9,54

-9,5

0,8529

-9,54

0,448

300

0,509

-13,97

-13,9

0,5090

-14,02

0,908

420

0,363

-16,90

-17

0,3656

-16,89

0,594

540

0,2829

-19,08

-19

0,2840

-19,09

0,487

660

0,2314

-20,82

-21

0,2342

-20,76

1,103

780

0,1958

-22,27

-22,3

0,1988

-22,19

0,482

900

0,1697

-23,52

-23,5

0,1743

-23,33

0,707

1020

0,1497

-24,60

-25

0,1521

-24,51

1,932

1140

0,1340

-25,57

-25,8

0,1361

-25,48

1,229

1260

0,1212

-26,44

-26,3

0,1271

-26,07

0,865

1380

0,1107

-27,23

-27,3

0,1165

-26,82

1,723

1500

0,1018

-27,95

-28

0,1090

-27,40

2,125

1620

0,0943

-28,62

-28,5

0,0997

-28,17

1,125

1740

0,0878

-29,24

-29,3

0,0946

-28,63

2,259

1860

0,0821

-29,82

-30

0,0908

-28,99

3,366

1980

0,0771

-30,37

-30,8

0,0855

-29,51

4,180

2100

0,0727

-30,88

-31,8

0,0826

-29,81

6,248

2220

0,0688

-31,36

-32

0,0789

-30,21

5,566

2340

0,0652

-31,82

-32,3

0,0755

-30,59

5,291

2460

0,0621

-32,25

-32,8

0,0719

-31,01

5,428

2580

0,0592

-32,66

-33

0,0706

-31,17

5,527


MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN UN SISTEMA MONOFÁSICO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO

Figura 14. Espectro de una señal Triangular 3er armónico 420Hz, -34.5dB Fluke PM3370B

Figura 15. Comparación de la medición del Fluke con la medición del prototipo, en dB

Tabla 4. Comparación de resultados Triangular

Siendo la serie para obtener el modelo matemático:

Frec.

Valor Mat.

Valor Mat. (dB)

Valor Fluke (dB)

Valor Proto.

Valor Proto. (dB)

Error relativo Flk- Prot

60

1,6211

0

0

1,6072

0

180

0,1801

-19,08

-18,5

0,1905

-18,52

0,116

300

0,0648

-27,95

-28,3

0,0630

-28,13

0,595

420

0,0330

-33,80

-34,5

0,0313

-34,19

0,889

540

0,0200

-38,16

-38,5

0,0190

-38,54

0,105

660

0,0133

-41,65

-41,8

0,0124

-42,20

0,975

780

0,0095

-44,55

-43,3

0,0095

-44,54

2,886

900

0,0072

-47,04

-46,8

0,0059

-48,64

3,950

1020

0,0056

-49,21

-50

0,0042

-51,63

3,272

1140

0,0044

-51,15

-53

0,0048

-50,37

4,956

1260

0,0036

-52,88

-55,3

0,0033

-53,56

3,134

1380

0,0030

-54,46

-59

0,0057

-48,93

17,057

1500

0,0025

-55,91

-52,5

0,0016

-59,58

13,504

1620

0,0022

-57,25

-58

0,0012

-61,91

6,741

1740

0,0019

-58,49

-53

0,0012

-62,17

17,314

1860

0,0016

-59,65

-53

0,0009

-64,21

21,165

1980

0,0014

-60,74

-49,8

0,0019

-58,19

16,853

2100

0,0013

-61,76

-52,5

0,0041

-51,83

1,271

2220

0,0011

-62,72

-51

0,0015

-60,23

18,101

2340

0,0010

-63,64

-52,5

0,0009

-64,21

22,319

2460

0,0009

-64,51

-58

0,0009

-64,21

10,720

2580

0,0008

-65,33

-56

0,0022

-57,22

2,182

(11)  Señal Triangular Con una Amplitud de A = 2vp y una frecuencia f = 60Hz Siendo la serie para obtener el modelo matemático: (12) 3.3 Prototipo El diseño e implementación ilustrada, derivó en un prototipo para la medición de armónicos de un sistema monofásico. El prototipo permite ver las amplitudes de los 21 primeros armónicos en valor Pico y valor RMS y la distorsión armónica total (THD) de señales de corriente en un rango de 400mA a 5A, así como también de la señal de voltaje entregada por la red. Adicionalmente es posible inyectar al dispositivo una señal de prueba, que debe tener una frecuencia de 60Hz y una amplitud máxima de 2.5Vp. Es posible también almacenar

73

VISIÓN DE CASO


Tabla 5. Comparación de valores para señal Dimmer menor ángulo de disparo Frec.

Valor Fluke (dB)

Valor medido

Valor medido (dB)

60

0

1,1707

0

180

-32

0,0284

-32,29

0,926

300

-21,8

0,1039

-21,03

3,518

420

-33,8

0,0236

-33,88

0,245

540

-30,3

0,0388

-29,57

2,378

660

-32

0,0316

-31,36

1,974

780

-33,5

0,0210

-34,89

4,165

900

-32,3

0,0255

-33,20

2,815

1020

-39

0,0118

-39,91

2,350

1140

-37,5

0,0159

-37,29

0,549

1260

-41,8

0,0116

-40,07

4,123

1380

-41

0,0119

-39,82

2,868

1500

-39,8

0,0115

-40,11

0,803

1620

-41,3

0,0110

-40,48

1,974

1740

-39,8

0,0140

-38,43

3,427

1860

-41,8

0,0127

-39,28

6,013

1980

-45

0,0060

-45,73

1,631

2100

-41,8

0,0082

-42,99

2,848

2220

-43,5

0,0066

-44,96

3,377

2340

-43,3

0,0078

-43,43

0,315

2460

-42,5

0,0093

-41,95

1,274

2580

-48,8

0,0012

-59,12

21,155

Error relativo Flk- Prot (%)

las mediciones realizadas en el prototipo para su posterior análisis o transmisión al computador a través de una aplicación desarrollada que recibe la información de las mediciones realizadas y almacenadas en el prototipo, y en la que es posible graficar los datos, mostrando la señal analizada y su espectro, visto tanto en valor pico como en RMS, también es posible ver el tipo de señal (I, V o señal de prueba) y el THD de la misma.

74

Figura 16. Espectro corriente de entrada Dimmer 1er armónico 180Hz, -32dB Fluke PM3370B

A continuación se mostrarán algunos resultados obtenidos realizando pruebas al prototipo con señales reales tomadas de la red eléctrica al conectar cargas no lineales. También como en la sección 3.2 (Algoritmo FFT) estos resultados fueron comparados con las mediciones tomadas por combiscop Fluke PM3370B para las mismas señales. Adicionalmente, se presentan los porcentajes de error de las mediciones del Fluke contra los resultados del prototipo, lo que permite tener idea de la exactitud de los datos obtenidos.  Dimmer La primera carga con la que se analizó el comportamiento del prototipo es un Dimmer (figura 8), el dispositivo utilizado para realizar el corte de fase es un TRIAC de referencia BTB04 [7]. Con el menor ángulo de disparo del TRIAC, la señal arrojada por el sensor es vista en la figura 10. El valor aproximado de la amplitud de la señal es 670mVp, dividiendo entre 0.5392 que es la sensibilidad del sensor, la señal tiene un valor aproximado de 1.2Vp.


MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN UN SISTEMA MONOFÁSICO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO

Rectificador de Onda Completa:

Figura 17. Comparación de la medición del Fluke con la medición del prototipo, en dB

VISIÓN DE CASO

Para analizar las perturbaciones de la corriente de entrada con un rectificador se implementó el siguiente circuito. La señal arrojada por el sensor es la siguiente, figura 19. La señal tiene Vp=1.08v que divido por la sensibilidad del sensor da aproximadamente 2A. En la siguiente tabla se ve la comparación de resultados.

Figura 18. Circuito para el análisis de perturbaciones debido a un rectificador

Figura 19. Corriente de entrada puente de diodos con carga resistiva

Tabla 6. Comparación de valores para la señal de corriente de entrada del rectificador Frec.

Valor Fluke (dB)

Valor medido

Valor medido (dB)

Error relativo Flk- Prot (%)

60

0

1,7990

0

180

-24

0,1147

-23,90

0,394

300

-21,3

0,1596

-21,03

1,230

420

-39,8

0,0184

-39,76

0,096

540

-40,8

0,0196

-39,21

3,879

660

-36,3

0,0305

-35,39

2,504

780

-54,3

0,0032

-54,78

0,900

900

-46,8

0,0088

-46,18

1,314

1020

-46

0,0089

-46,01

0,043

1140

-61

0,0011

-63,81

4,621

1260

-54,3

0,0035

-54,15

0,261

1380

-53,3

0,0042

-52,59

1,319

1500

-61,3

0,0017

-60,29

1,631

1620

-50

0,0064

-48,97

2,048

1740

-59,3

0,0036

-53,89

9,121

1860

-59

0,0059

-49,66

15,814

1980

-57,3

0,0053

-50,54

11,788

2100

-56,8

0,0060

-49,46

12,912

2220

-57,5

0,0053

-50,54

12,095

2340

-54

0,0008

-66,83

23,768

2460

-59

0,0051

-50,80

13,882

2580

-55,8

0,0028

-55,86

0,111

75


Figura 20. Espectro corriente de entrada Rectif. 2o armónico 300Hz, -21.3dB Fluke PM3370B

La comparación de la respuesta del prototipo, contra las mediciones realizadas usando el Fluke PM3370B, dada en la figura 21, midiendo distintas señales perturbadas o aplicando diferentes formas de onda nos ayuda a verificar su buen funcionamiento y permite confirmar que tiene una exactitud aceptable teniendo en cuenta los porcentajes de error obtenidos para cada una de las mediciones y pruebas realizadas.

Figura 21. Comparación de la medición del Fluke con la medición del prototipo, en dB

los voltajes inducidos sean manejables por la etapa de integración.  Para la obtención de las amplitudes armónicas de las distintas señales una herramienta efectiva es el algoritmo FFT. A través de él, se consigue simplificar enormemente el cálculo del DFT (Transformada discreta de Fourier sección 1.3.2) introduciendo “atajos” matemáticos para reducir drásticamente el número de operaciones.

 La bobina de Rogowski constituye como una buena alternativa para la medición de corrientes, su núcleo de aire no tiene histéresis, saturación, o problemas de no linealidad. Además, tiene una buena capacidad para manejar altas corrientes.

 La exactitud del algoritmo FFT en la obtención de las amplitudes armónicas de una señal hasta determinada frecuencia depende del número de muestras que se logren obtener. Por esto es importante, a la hora de implementar la FFT, tomar una cantidad suficiente de muestras para obtener el espectro hasta determinada frecuencia, con un mínimo de error.

 Aunque el diseño de la bobina de Rogowski no tiene mayor complejidad, es importante tener en cuenta que el área transversal del núcleo así como el bobinado deben ser uniformes a su alrededor, también el número de vueltas es importante, pues de este y del área transversal de la bobina, depende que

 Gracias a las mediciones realizadas con Fluke PM3370B fue posible observar que las señales tienen un piso de ruido que está en constante variación, esta variación afecta el espectro en las frecuencias más altas donde las amplitudes armónicas de las distintas señales son pequeñas (figura 18 y figura 20).

CONCLUSIONES

76


MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN UN SISTEMA MONOFÁSICO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO

Referencias bibliográficas

VISIÓN DE CASO

[1] D. A. Ward y J. T. Exon. Using Rogowski coils for transient current measurements. Engineering Science and Education Journal: 1993, pp. 105-111. [2] K. William. Nuevos desarrollos en sensores de corriente. Applications Engineer, Energy Measurement Group, Analog Devices, Inc. Traducido por el Departamento Técnico, Tecnologías Unidas, Tecun, Ltda., pp. 1-3. [3] Microchip Technology Inc., Data sheet PIC18F452, pp. 1-125. [4] Microchip Technology Inc., Data sheet Serial EEPROM 24LC256, pp. 1-9. [5] ST Microelectronics GROUP OF COMPANIES, Data sheet BTB04, pp. 1-2. [6] Burden, y, Faires. Análisis Numérico, 7ª edición. Edit. Thomson. Barcelona. 2002, pp. 537-549.

77


VISIÓN DE CASO Clasificación del artículo: REFLEXión

PROTOTIPO TELEOPERADO: UNA ALTERNATIVA EN SISTEMAS DE BÚSQUEDA DE PERSONAS PROTOTYPE TELEOPERATED: AN ALTERNATIVE IN SYSTEMS OF SEARCH OF PEOPLE Andrés Escobar1 Johan Calderón Acero2 Ivonne Vanesa Parra Garzón3

1 Ingeniero Electrónico de la Universidad Distrital Francisco José de caldas, Msc. En Automatización de la Universidad de los Andes. Docente de planta adscrito a la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital, director del grupo de investigación en Control ORCA. andresescobar@ gmail.com. 2

3

Tecnólogo en electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Estudiante de Ingeniería en control. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. SELCOMP INGENIERIA nahhoj@hotmail.com nahhoj@gmail.com. Tecnóloga en electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Estudiante de Ingeniería en control. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. vanjoh_18@hotmai. com, vanesa_p@etb. net.co.

Resumen La búsqueda de personas en aguas poco profundas, es, actualmente, objeto de continuos estudios motivados por la ausencia de alternativas tecnológicas que garanticen atención oportuna en situaciones de inundación que, en general, son emergencias frecuentes. Este documento presenta las etapas en el desarrollo de un sistema de posicionamiento y detección implementados en un piloto teleoperado para una lancha, en particular el diseño de un software desarrollado en eMbedded Visual Basic 3.®, para la ubicación, en un mapa digital, de la posición inicial de lancha y trazado de su ruta de navegación, activación del sistema de posicionamiento, programación y ejecución del algoritmo de navegación con respecto a dos puntos conocidos, y la detección de obstáculos. Palabras clave

Piloto teleoperado, ubicación global (GPS), detección de obstáculos, coordenadas geográficas.

of boat and layout of the sailing route, positioning system, programming and execution of the sailing algorithm with regard to two points known, and detection of obstacles.

Summary

Key words

This document presents the development of a pilot teleoperated for a boat, as first step to carry out a system of people’s search in not very deep waters. They show up the different stages that understand the development of the system, as the design of the software in eMbedded Visual Basic 3.0® for the location in a digital map of the initial position VISIÓN ELECTRÓNICA

78

Pilot teleoperated, global location (GPS), detection of obstacles, geographical coordinated.

Introducción Para garantizar la atención oportuna de personas en emergencia dentro del agua y la integridad del cuerpo


PROTOTIPO TELEOPERADO: UNA ALTERNATIVA EN SISTEMAS DE BÚSQUEDA DE PERSONAS

de rescate en situaciones causadas por las inundaciones; los organismos competentes requieren un sistema de búsqueda de personas en este medio4. Esta necesidad debe asumirse incorporando recursos tecnológicos que permitan realizar la tarea con seguridad y eficiencia, de manera que la alternativa propuesta tenga como parámetros orientadores el posicionamiento y la detección. En el caso que nos ocupa, se ha decidido diseñar e implementar un sistema de búsqueda de personas en aguas poco profundas para una lancha (cuyas dimensiones son 0.6 m de largo x 0.22 m de ancho ); procediendo a dividir su desarrollo en dos fases. La primera aborda el diseño de un piloto teleoperado, la instalación de un piloto manual con sistema de posicionamiento global y el sistema de detección de obstáculos. La segunda, que no se aborda en este artículo, implica la ubicación de la victima por medio de sensores y la navegación hasta ella por cámara.

1. Descripción del sistema El sistema cuenta con un piloto manual, manejado por un radiocontrol, y un piloto teleoperado que consta de los siguientes bloques: • Trazador de rutas de navegación. En donde se utilizó un computador de mano IPAQ Pocket PC para realizar el trabajo de visualización del mapa, la ubicación actual de la lancha (antes que empiece el recorrido) y permitir trazar el recorrido del piloto teleoperado.

• Posicionador: El bloque GPS entrega la información de posición global en el protocolo EverMore binary mode@4800/9600 baud, 8N1,NMEA-0183 v2.20@4800/9600 baud, 8N1, NMEA Messages: GGA, GSA, GSV, RMC (standard output).

VISIÓN DE CASO

• Microcontrolador : que realiza las funciones de manejo de motores DC, lectura del sensor, comunicación RS-232 con GPS y Pocket PC y el algoritmo de ruta. • Sensores: encargados de detectar los posibles obstáculos que se puedan presentarse en la trayectoria de la lancha, por último Los motores DC o sistema de locomoción realizan la función de turbinas. En la figura 1, observamos que los bloques GPS, adecuación, microcontrolador, sensores, motores DC y radiocontrol Rx se encuentran dentro de la lancha que cuenta con: propulsor profesional de gran torsión, batería recargable, sistema de radio control, Largo: 700mm, Ancho: 252mm, Peso: 1220 g. Dado que se enfatiza el estudio del prototipo en el trazador de rutas de navegación, el GPS, el microcontrolador y el sistema sensórico; se explican con detalle a continuación.

Figura 1. Diagrama de bloques del sistema

• Conversor: donde se realiza la conversión de la señal NRZ a niveles RZ o viceversa según sea el caso, a través del circuito integrado MAX232; utilizándose además un multiplexor (74lLS153) para escoger qué entrada necesita, Pocket PC o el GPS.

4 Tovar Segura, William. Departamento de atención de emerg e n c i a s – D PA E . Coordinación de e mergencias.

79


1.1 Trazador de rutas de navegación Se desarrolló un software para un computador de mano IPAQ Pocket PC, con especificaciones mínimas: procesador ARM de 200 MHz, 32M RAM, sistema Pocket PC 2002 y puerto serial. En él se realiza el trabajo de visualización del mapa, ubicación actual de la lancha (antes que empiece el recorrido) y permite trazar los puntos por donde se desea que llegue la lancha. 1.1.1 Ubicación de la lancha en el mapa Para la ubicación de la lancha en el mapa, se desarrolló un software en eMbedded Visual Basic 3.0® para Pocket PC. El mapa es calibrado en el software Global Mapper 6.0® para PC, el cual entrega el mapa de la zona a navegar en archivo de imagen BMP de 640X480 píxeles a 256 colores junto a un archivo de calibración CAL. Estos archivos son utilizados en eVB 3.0® para obtener el mapa digital con coordenadas geográficas exactas del sector a navegar, las coordenadas entregadas por el GPS son leídas por el puerto serial de la Pocket PC.

Figura 2. Ubicación de la lancha

80

Con los datos de latitud y longitud se realiza la ubicación de un punto en el mapa correspondiente al lugar en donde se encuentra la lancha, esto se realiza con un algoritmo que convierte las coordenadas geográficas, en coordenadas (x, y), a píxeles. En la figura 2 podemos observar el punto que nos indica la ubicación de la lancha en el mapa. 1.1.2 Trazo de la ruta de exploración. La ruta se traza por medio de puntos ubicados en el mapa mostrado en la figura 3. Cada punto se toma como una coordenada en píxeles (x, y) y se ejecuta una conversión a coordenadas geográficas correspondientes a la ubicación del punto, cuando los puntos son ubicados el programa los une formando el recorrido figura 4, éstos son transmitidos al microcontrolador y se almacenan en la memoria de eeprom del PIC. 1.2 GPS El GPS funciona mediante una red de 24 satélites (21 operativos y 3 de respaldo) en órbita sobre el globo a 20.200 Km. con

Figura 3. Puntos marcados

Figura 4. Ruta trazada


PROTOTIPO TELEOPERADO: UNA ALTERNATIVA EN SISTEMAS DE BÚSQUEDA DE PERSONAS

trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la tierra. Cuando se desea determinar la posición, el aparato que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo cuatro satélites de la red, de los que recibe señales indicando la posición y el reloj de cada uno de ellos. En base a estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el retraso de las señales, es decir, la distancia al satélite. Por “triangulación” calcula la posición en que éste se encuentra. La triangulación en el caso del GPS, se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenada real del punto de medición. (Puch, 2001, p 15) Las especificaciones técnicas del GPS utilizado GM-305 son: General: L1 1575.42MHz, C/A code, 12channel, Carrier-Aided with HWTrack„ Sensitivity: -165 dBW Minimum Update Rate: 1Hz Accuracy: Position: 15m CEP without S/A Velocity: 0.1m/sec without S/A Time: ± 1ms Acquisition: Cold start: < 120sec typical Warm start: < 45sec Hot start: < 15sec Reacquisition: < 100millisecond Dynamics: Altitude: -1000m to + 18,000m Velocity: 500m/sec Acceleration: ±4g

Primary Power: 3.8V~8V dc Input Current: 125mA@5V Serial Ports: RS232 Level 1PPS: CMOS LVTTL Level Dimensions:2.29” L x 1.57” W x 0.84” H (58.2mm x 39.9 mm x 21.5 mm) Weight: 3.88oz (110g)

VISIÓN DE CASO

Protocols: EverMore @ 4800/9600baud, 8N1 NMEA-0183 v2.20 @ 4800 baud, 8N1 NMEA Messages: GGA, GLL, GSA, GSV, RMC, and VTG DB9 (Female): TX, RX, 1PPS PS/2(Male): VCC input 3.8V~8V El GPS GM-305 efectúa el envío de datos a través del protocolo NMEA con una velocidad de 4800 baudios. Las secuencias de caracteres NMEA envía secuencias similares a las siguientes: $GPGGA,203726.000,0443.0271,N,07403.2 815,W,0,00,,,M,,M,,*5A $GPGSA,A,1,,,,,,,,,,,,,,,*1E $GPGSV,2,1,05,05,21,209,,30,20,238,,29,57, 030,,25,47,262,*72 $GPGSV,2,2,05,24,20,127,*4C $GPRMC,203726.000,V,0443.0271,N,07403. 2815,W,,,030306,,*0B Esta información es enviada al microcontrolador donde se escogen las sentencias $GPGGA y $GPRMC y se toman los datos de relevancia para el programa. Los datos de las sentencias corresponden a: GGA = Datos del Fijo del Sistema Global de Posicionamiento $GPGGA,hhmmss.ss,llll.ll,a,yyyyy. yy,a,x,xx,x.x,x.x,M,x.x,M,x.x,xxxx*hh hhmmss.ss = UTC de Posición

81


llll.ll = Latitud a=NoS yyyyy.yy = Longitud a=EuO x = Indicador de la Calidad de GPS (0=no Válido; 1=Fijo de GPS; 2=Fijo de GPS dif.) xx = Número de Satélites en uso (aquellos que no se ven) x.x = Dilución Horizontal de la Posición x.x = Altitud de la Antena Sobre/Bajo Nivel del Mar Intermedio (geoide) M = Metros (Unidad de la altura de la antena) x.x = Separación Geoidal (Diferencia entre elipsoide terrestre WGS-84 y nivel del mar intermedio. -=el geoide está bajo el elipsoide WGS-84) M = Metros (Unidad de la separación geoidal) x.x = Intervalo en Segundos desde la última actualización de una Estación de Referencia diferencial. xxxx = Estación de Referencia ID# dif. *hh = Suma de Verificación

1.3 Microcontrolador

RMC = Mínimo de Datos GPS/TRANSIT Específicos Recomendados.

La Pocket PC envía al microcontrolador la información de las rutas trazadas previamente, estos valores son almacenados en la memoria eeprom del microcontrolador y son utilizados para el algoritmo de ruta.

1. = UTC de Fijo de Posición 2. = Estado de los Datos (V= Advertencia del Recibidor de Navegación) 3. = Latitud del Fijo 4. = N o S 5. = Longitud del Fijo 6. = E u O 7. = Velocidad Sobre fondo en Nudos 8. = Track Bien Hecho en Grados Verdaderos 9. = Fecha de UT 10. = Grados Magnéticos de Variación (Var. este se resta del curso verdadero) 11. = E u O 12. = Suma de verificación

82

El microcontrolador utilizado fue un PIC 18F452, programado en CCS Compiler PICC. 1.3.1. Comunicación RS-232 La comunicación serial se realizó utilizando el módulo USART del microcontrolador. Como se dispone de un solo módulo RS-232, se utilizó un multiplexor para poder realizar la comunicación con los dos dispositivos, Pocket PC y GPS. De la trama enviada por el GPS, el microcontrolador selecciona la información correspondiente a latitud, longitud, altitud, estado del GPS y velocidad. Los datos latitud, longitud y estado del GPS son almacenados en el microcontrolador para la visualización y son utilizados en el algoritmo de ruta, además son enviados a la Pocket PC junto con la velocidad y altitud si ésta está conectada.

1.3.2. Algoritmo de ruta El algoritmo de ruta se desarrolló disponiendo el lago en un plano cartesiano siendo el eje x la longitud y el eje y la latitud, en donde se tienen los puntos de posición actual de la lancha, un punto anterior y puntos de destino final. Se resta el punto final Pf con el punto anterior (o punto inicial) Pa_1 en su componente en x y en y, estos resultados se guardan en variables Ax y Ay respectivamente. Con estos datos se puede determinar hacia a


PROTOTIPO TELEOPERADO: UNA ALTERNATIVA EN SISTEMAS DE BÚSQUEDA DE PERSONAS

dónde se debe dirigir la lancha. Para determinar en qué dirección se movió la lancha inicialmente se efectúa la operación punto actual Pa menos el punto anterior Pa_1 y este resultado se almacena en las variables Bx y By. Además es necesario restar el punto final Pf con el punto actual Pa y el resultado se almacena en las variables Cx y Cy.

1.4 Sistema Sensórico

VISIÓN DE CASO

El sensor ultrasónico, tiene la ventaja de medir distancias mayores a otros sensores de proximidad como el capacitivo o el inductivo. El sensor ultrasónico emplea las propiedades de las ondas mecánicas como el sonido para su medición. En él, un transmisor ultrasónico emite una onda a determinada frecuencia, y un receptor convierte la onda sonora a una señal eléctrica.

Luego de realizar las operaciones correspondientes se procede a hacer comparaciones con el fin de saber si la lancha se Al medir el tiempo que tarda la onda desde dirige hacia la dirección su emisión hasta su recepcorrecta o no y hacia qué ción se puede determinar dirección se debe mover. Figura 5. Diagrama de flujo del sistema la distancia a la cual se Para determinar si se diencuentra un objeto, terige a la dirección correcta niendo en cuenta que el o incorrecta se compara sonido viaja a 340m/s a A<0 y B<0 en sus respectemperatura ambiente. tivas componentes, si en El receptor ultrasónico alguna componente A y B envía una señal eléctrica son iguales sea verdadero al circuito y éste a su vez o falso quiere decir que se la envía al microcontroladirige por el camino correcdor. El microcontrolador to al menos en algún eje. convierte la señal a diPara establecer hacia qué gital y la mide durante dirección se debe desplazar un tiempo aproximado se realiza otra comparade 12ms, lo que equivale ción A<0 y C<0 pero en la a 4 metros de distancia componente en la que se recorrida para determinar desplazó incorrectamente. si detiene el temporizador Con este resultado se defidebido al eco reflejado. ne hacia qué dirección se debe girar la lancha. CuanSi se obtiene un eco, el do la lancha llega aproximicrocontrolador procemadamente a un radio de a generar una señal de 7 metros alrededor del PWM como respuesta, punto final, se toma como por un tiempo cercano a terminado el recorrido y 200ms, que lleva dentro se procede a seguir con la de su ciclo útil el valor de siguiente ruta, de la misma la distancia medida para forma que la primera. ese rango definido de 2 metros. La tarjeta tiene

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como respuesta una señal PWM, ésta pasa por un filtro sencillo RC que la convierte en una señal DC entre 0 y 2.5V, finalmente es enviada al microcontrolador para su uso. En la figura 5 se muestra el diagrama de flujo del sistema en general.

Figura 6. a. Recorrido alrededor de una cuadra b. Información entregada por el GPS

a.

b.

Figura 7. Recorrido libre en el lago del Parque de los Novios Bogotá. D.C.

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2. Experimentación y resultados Se realizaron pruebas de calibración y precisión del mapa. Para calibrarlo inicialmente se realizó la comparación con el software llamado Global Mapper®, tomando un punto de referencia y determinando si coincidían las coordenadas. La prueba con el GPS, se hizo recorriendo un barrio Bogotano alrededor de una cuadra. Se comprobó que efectivamente correspondieran las coordenadas entregadas por el GPS con las del mapa cargado en el software (figura 6). La siguiente prueba de calibración se efectuó en un Lago de la ciudad. Ésta consistió en realizar un recorrido libre por el lago con ayuda de una lancha de pedal, obteniéndose la ubicación en el mapa (figura 7), observándose claramente el recorrido realizado.

Figura 8. Sistema completo


PROTOTIPO TELEOPERADO: UNA ALTERNATIVA EN SISTEMAS DE BÚSQUEDA DE PERSONAS

La prueba de ultrasonido se realizó instalando el módulo en la lancha de un Parque, figura 8. Acercándose a las orillas del lago, se obtuvo que el módulo ultrasonido detecta las orillas aproximadamente a 1.5m de distancia pero en algunas partes esa distancia se reduce a 1.2m debido a la densidad de pasto en las orillas.

Conclusiones El recorrido de un punto a otro no se puede lograr en línea recta debido a la poca precisión del algoritmo de ruta utilizado y al medio en que se moviliza el sistema. Las PDA brindan la versatilidad de ejecutar pequeñas aplicaciones teniendo una

gran ventaja en cuanto a movilidad con respecto a los computadores personales o portátiles. En la realización de este prototipo se observó la posibilidad de extender su uso en diferentes entornos, tales como monitoreo y ubicación de autos en la ciudad, por ejemplo. En general, el sistema desarrollado cumple con los objetivos propuestos a pesar que el algoritmo de ruta utilizado para cumplir el recorrido de un punto a otro no es de gran precisión comparado con otros algoritmos; una opción que puede explorarse es utilizar mapas métricos basados en autómatas celulares.

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VISIÓN DE CASO


VISIÓN ACTUAL Clasificación del artículo: REVisión

OFDM: “UNA BREVE PERSPECTIVA” OFDM: “A BRIEF PERSPECTIVE” Oscar Fabian Corredor Camargo1 Luis Fernando Pedraza Martinez2 César augusto Hernandez Suarez3

1

2

3

Ingeniero Electrónico Universidad Distrital de Bogotá, Colombia. Actualmente desarrolla su tesis de maestría en modelos de tráfico multimedia en la Web. Docente de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y de la Universidad Cooperativa de Colombia. ofcca@hotmail. com Ingeniero Electrónico Universidad Distrital de Bogota, Colombia. Msc. En Teleinformática de la Universidad Distrital, su área de investigación está en modelos de control de tráfico vehicular. Docente de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y de la Universidad Cooperativa de Colombia.pedrazaluis 2001@yahoo.es Ingeniero Electrónico. Universidad Distrital, de Bogotá, Colombia. Docente Investigador de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Lctsubasa@gmail.com

Resumen En este artículo se presenta una breve introducción al esquema de modulación OFDM y algunas de las principales razones por las cuales se originó; además de una descripción matemática aplicada y simulada en el paquete de software Matlab® para una secuencia de datos binarios y finalmente las áreas de desarrollo más representativas donde se puede usar OFDM. Palabras clave Portadora, OFDM, Interferencia Intersímbolo (ISI), Modulación.

Summary In this article a brief introduction to the scheme of modulation OFDM and some of the main reasons appears for which it was originated; in addition to a mathematical description applied and simulated in the software package Matlab® for a sequence of binary data and finally the more representative areas of development where OFDM can be used.

Key words Carrier, OFDM, Inter-symbol Interference (ISI), Modulation. VISIÓN ELECTRÓNICA

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Introducción El principal problema con la recepción de señales de radio es el desvanecimiento de las mismas (Fading) causado por la propagación multitrayectoria, sumado a otros problemas como la ISI, la obstaculización, interferencias, etc.; haciendo que la calidad del enlace varíe. Otras dificultades adicionales son el ancho de banda (AB) limitado que se dispone, el bajo consumo de potencia, la administración de la red y la operación multicelular. Como resultado de la propagación multitrayectoria, hay muchas señales reflejadas que llegan al receptor a diferentes tiempos. Estos


OFDM: “UNA BREVE PERSPECTIVA”

retrasos son el resultado de reflexiones por las características del terreno tales como árboles, montañas u objetos (personas, vehículos o edificios) produciendo ecos, los cuales causan la ISI, siendo mas acentuadas por la existencia de un receptor móvil ya que las longitudes y atenuaciones relativas de las posibles trayectorias de recepción cambiarán en el tiempo (Dušan, 1998). Considérese una señal de banda estrecha, la cual variará en calidad dependiendo de como los picos y los canales de su respuesta en frecuencia se muevan alrededor de ella, implicando también una variación sensible en la respuesta de fase. Pero si la señal es de mayor AB, algunas partes de la misma pueden sufrir de interferencia constructiva y realzarse en nivel, mientras que otras pueden sufrir de interferencia destructiva y ser atenuadas a veces hasta el punto de la extinción. En general, las componentes de frecuencia que están más cercanas, sufrirán variaciones en las componentes de señal que se correlacionan fuertemente. De esta manera surgen las técnicas de espectro expandido o ensanchado las cuales son más robustas en contra del desvanecimiento y la interferencia, pero que requieren ciertas demandas sobre las tecnologías de comunicación existentes, además de tener dificultad con el efecto de la zona cercana-lejana y un gran consumo de potencia.

1. ¿Que es OFDM? Para solucionar en gran parte las anteriores dificultades nació OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) el cual es un esquema de modulación de banda ancha capaz de hacerle frente a los problemas de la recepción multitrayectoria, transmitiendo muchas señales digitales

de banda angosta en paralelo y traslapadas dentro de una banda amplia (Dusan, 1998). Este aumento del número de canales de transmisión paralelos reduce la tasa de datos que cada portadora individual debe transportar y alarga el período de símbolo. Como resultado, el tiempo de retardo de las ondas reflejadas es comprimido dentro de un tiempo de símbolo. Este concepto surgió gracias a la múltiplexación por división de frecuencia (FDM) publicada a mediados de los sesenta (Chang, 1966, p. 1775) y (Salzberg, 1967, p. 805). La idea era utilizar secuencias de datos paralelos y subcanales traslapados para evitar el uso de ecualizadores de alta velocidad y combatir el ruido impulsivo y la distorsión multitrayectoria, así como para utilizar eficientemente el AB disponible. En los años 80, OFDM fue usado en módems de alta velocidad (desarrollados para redes telefónicas) comunicaciones móviles digitales y grabación de alta densidad con Codificación Trellis. En los años 90, OFDM fue explotado en comunicaciones de datos de banda ancha sobre canales móviles de radio FM, líneas de suscriptor digital de alta tasa de bit (HDSL, 1.6 Mb/s), asimétricas (ADSL, 1.536 Mb/s) y de muy alta velocidad (VHDSL, 100 Mb/s) además de difusión digital de audio (DAB) y de TV (HDTV). En OFDM, cada portadora es ortogonal al resto de portadoras, siendo la versión óptima de los esquemas de transmisión multiportadora ya conocidos. La diferencia más importante entre FDM y OFDM es que el primero asigna cada canal a un usuario mientras que el segundo asigna todos los canales a un usuario. Para una gran cantidad de subcanales, los arreglos de generadores sinusoidales y demoduladores coherentes requeridos en un sistema para-

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VISIÓN ACTUAL


Figura 1. Comparación del ancho de banda usado en FDM y en OFDM (Dušan, 1998)

lelo pueden llegar a ser desmesuradamente costosos y complejos. Para esto, el receptor necesita precisar la fase de las portadoras demoduladas y los tiempos de muestreo para mantener así, una interferencia entre subcanales aceptable. (Weinstein and Ebert, 1971, p.628) Aplicaron la Transformada de Fourier Discreta (DFT) a los sistemas de transmisión de datos paralelos como parte del proceso de modulación y demodulación. De esta forma, para eliminar los bancos de osciladores de las subportadoras y de los demoduladores coherentes requeridos por FDM, una implementación completamente digital puede ser construida alrededor de un hardware de propósito especial que pueda realizar la Transformada Rápida de Fourier (FFT). Los avances recientes en tecnología VLSI permiten la fabricación de chips de alta velocidad que pueden realizar FFT de gran tamaño a un precio razonable. En un sistema de transmisión de datos serial convencional, los símbolos son transmitidos secuencialmente con el espectro de frecuencia de cada símbolo ocupando el total del AB disponible, mientras que en un sistema paralelo varios símbolos se transmiten en el mismo tiempo, lo que ofrece posibilidades para aliviar muchos de

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los problemas encontrados en los sistemas seriales. En OFDM, el dato es dividido entre un número grande de portadoras estrechamente espaciadas (El AB total es cubierto con una sola fuente de datos). Esto hace alusión a la “Multiplexación por División de Frecuencia” pero no es una técnica de acceso múltiple, puesto que no hay un medio común a ser compartido. En lugar de transmitir serialmente, el dato es transferido de forma paralela. Solamente una cantidad pequeña de los datos es montada sobre cada portadora, reduciendo la tasa de bit de la portadora (no la tasa de bit total) y la influencia de la interferencia ínter-símbolo significativamente. En principio, muchos esquemas de modulación podrían ser utilizados para modular los datos a una baja tasa de bit sobre cada portadora, pero aunque algunas de las portadoras son degradadas por el desvanecimiento multitrayectoria, la mayoría de las mismas deben todavía ser recibidas adecuadamente. OFDM puede efectivamente seleccionar al azar ráfagas de errores causadas por el desvanecimiento de Rayleigh, el cual viene de la interpolación debida a la paralelización. Así pues, en lugar de varios símbolos adyacentes siendo completamente destruidos, muchos símbolos son solamente distorsionados levemente. Debido a la división total del AB del canal en muchas sub-bandas estrechas, la respuesta de frecuencia sobre cada sub-banda individual es relativamente plana. Puesto que cada sub-canal cubre solamente una fracción pequeña del AB original, la ecualización es potencialmente más simple que en un sistema de datos serial. Un algoritmo simple de ecualización puede reducir al mínimo la distorsión cuadrada media en cada sub-canal y la implementación de co-


OFDM: “UNA BREVE PERSPECTIVA”

dificación diferencial puede evitar la ecualización en conjunto (Weinstein and Ebert, 1971, p.628). Esto permite la reconstrucción exacta de la mayoría de ellas, incluso sin las técnicas de corrección de errores hacia adelante (FEC). Además, usando un intervalo de guarda, la sensibilidad del sistema a los retardos expandidos puede ser reducida (Cimini, 1985, p.665). Hay tres esquemas que se pueden utilizar para separar en subbandas (Dušan, 1998). 1. Usar filtros para separar totalmente las sub-bandas. Este método fue tomado de la tecnología convencional FDM. La limitación de la implementación de filtros fuerza al AB de cada sub-banda a ser igual a (1+ά)Fm, donde ά es el factor de Roll-Off y Fm es el ancho de banda de Nyquist. 2. Usar QAM escalonado para aumentar la eficiencia de la banda usada. De esta manera los espectros individuales de las portadoras moduladas todavía utilizan un AB excesivo, pero los traslapan a la frecuencia de -3dB alcanzando la separabilidad u ortogonalidad escalonando los datos (desplazando los datos a la mitad de un símbolo). La ventaja es que la composición del espectro es plana. Los requerimientos para el diseño del filtro son menos críticos que para el primer esquema. 3. Usar Transformada de Fourier Discreta (DFT) para modular y demodular datos paralelos. Los espectros individuales ahora son funciones Sinc ( ) y no están limitados en banda. FDM es logrado, no por el filtrado pasa banda, sino por el procesamiento banda base. Usando este método, tanto el transmisor como el receptor pueden ser implementados usando las técnicas eficientes de FFT

que reducen el número de operaciones de N2 en DFT, a N* Log (N). Como conclusión, OFDM es simplemente una forma de modulación multiportadora donde su espaciamiento entre portadoras es seleccionado cuidadosamente de modo que cada sub-portadora es ortogonal a las otras subportadoras, siendo separadas en el receptor con técnicas de correlación reduciendo drásticamente la ISI entre canales.

2. Modelo matemático de OFDM En el arreglo de portadoras descrito, algunas de estas alcanzan a sobrelaparse en parte con sus adyacentes. Sin embargo, el receptor puede recuperar sin problema la información en cada una de ellas ya que no existe interferencia entre las portadoras adyacentes debido a que estas son ortogonales entre si (ortogonalidad significa que las portadoras son linealmente independientes y están equiespaciadas un valor que es múltiplo de 1/t, donde t es la duración del periodo de un símbolo). Matemáticamente, es posible suponer que se tiene un conjunto de señales y, donde yp indica la p-esima señal del conjunto, entonces las señales yp y yq son ortogonales si: (1) Matemáticamente cada portadora puede ser descrita como una onda compleja de la siguiente forma: (2) La señal real es la parte real de Sc(t). La fase fc(t) y la amplitud Ac(t) de la respectiva portadora puede variar de símbolo a símbolo y los valores de los parámetros son

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VISIÓN ACTUAL


constantes sobre el periodo t de la duración del símbolo. Debido a que OFDM consiste en N portadoras complejas que componen la señal Sc(t), esta se puede representar como sigue: (3) Donde, wn = w0 + nDw

(11)

fn(t) = fc

(5)

An(t) = An

(6)

Si la señal es muestreada usando una frecuencia de muestreo de 1/T, entonces la señal resultante es representada por (7), (7) En este punto, se ha restringido el tiempo sobre el cual se analiza la señal a N muestras. Es conveniente muestrear de acuerdo al periodo de un símbolo de los datos, obteniendo la siguiente relación: (8)

Ahora si se simplifica la ecuación (7), y haciendo w0=0 sin perder la generalidad, se llega a (9) (9) Ahora la ecuación (9), puede ser comparada con la forma general de la transformada inversa discreta de fourier:

90

En la ecuación (9), la función , no es mas que la definición de la señal muestreada en el dominio de la frecuencia, y S(kT) es la representación en el dominio del tiempo. Por lo tanto, las ecuaciones (9) y (10) son equivalentes si:

(4)

Esto es por supuesto una señal contínua. Si se deseara considerar las formas de onda de cada componente de la señal sobre el periodo de un solo símbolo, entonces las variables fn(t) y An(t) tomarían valores de acuerdo a la frecuencia de la portadora en particular, por lo que pueden ser descritas como sigue:

t = NT

(10)

Esta es la misma condición que se requiere para la existencia de ortogonalidad.

3. Aplicación matemática de OFDM Como complemento de la anterior demostración matemática para OFDM se realiza el siguiente ejercicio donde se transmitirá la siguiente señal digital: S(n) = {0,0,0,1,1,0,1,1} Para la cual se supondrá una rata de bit de 1Mbps, siendo el tiempo de bit T=1/1Mbps = 1mseg. De acuerdo a lo analizado previamente se utilizara el siguiente modelo de comunicación para un sistema OFDM:

Figura 2. Sistema de Comunicación OFDM


OFDM: “UNA BREVE PERSPECTIVA”

La modulación que se aplicara será QPSK (4-PSK), por lo que después del primer bloque se tendrán 4 señales de la forma: (12) Donde la señal S(n) se transforma en la siguiente señal:

A continuación se presenta la simulación del anterior ejemplo en la herramienta de software Matlab®. En la figura 3, se dibuja la secuencia binaria a transmitir S(n) = {0,0,0,1,1,0,1,1}

Figura 3. Secuencia binaria a transmitir

(13) Luego de esto, la señal pasa por un conversor serial a paralelo con N=4, por lo cual Sc se convierte en 4 señales, donde cada una de ellas tiene un tiempo de símbolo de 2*1mseg = 2mseg. Como la señal se modulo en QPSK la rata a la salida del modulador se reduce a la mitad y luego de pasar por el conversor serie/paralelo la rata de bits se divide por 4, por lo que se tienen 4 señales a una rata de bits de 125kbps cada una, lo cual redunda en una ISI mucho menor. Luego de pasar por el modulador y el conversor serial a paralelo, la señal es muestreada a una frecuencia de muestreo de 1/2mseg = 500Khz. De aquí, cada una de estas señales va a una entrada del IFFT de 16-IFFT, donde a cada una de ellas se le aplicara la transformada inversa de fourier, obteniéndose las siguientes

Figura 4. Grupos de dos datos binarios bajo una curvatura

señales:

Ahora el resultado de la IFFT de la señal discreta se pasa por un conversor paralelo/ serie, para luego pasar la señal por un conversor digital/análogo (DAC). A la señal de salida del DAC, se le introduce una banda de guarda para luego ser transmitida por el canal. En el receptor se realiza el proceso inverso recuperándose la señal original.

En la figura 4, se observan grupos de dos datos binarios, bajo una curvatura que será colocada sobre una frecuencia. En la figura 5, se realiza la IFFT, lo cual ha generado una señal OFDM, correspondiente a los datos binarios. Ahora la señal es pasada a través de un medio guiado ó inalámbrico y una vez recibida

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VISIÓN ACTUAL


Figura 5. IFFT de la secuencia binaria

Figura 6. FFT de la señal OFDM recibida del medio de transmisión

se realiza el proceso inverso para recuperar los datos binarios originales. Esto se observa en la Figura 6, donde se realiza la FFT de la señal recibida y se recuperan los datos originales.

4. Futuras perspectivas de OFDM A continuación se describen algunas de las tecnologías donde OFDM es utilizado: 4.1. ADSL MCM (Modulación Multi-Portadora) es una técnica que distribuye el espectro en frecuen-

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cia en múltiples subportadoras, cada una de las cuales es ortogonal a las otras subportadoras. Todas ellas utilizan QAM, esquema que permite una transmisión y recepción más fácil de cada subportadora. El ejemplo más popular de MCM es DMT (multitono discreto) que se utiliza en ADSL. La principal limitación de MCM es su rata promedio pico (PAR). En sistemas tales como ADSL, donde el plan del espectro consiste en una sola banda de frecuencia asignada a cada dirección de la comunicación, la diferencia PAR entre un sistema de DMT y de SCM (Modulación de una portadora) esta alrededor de los 6 dB. MCM, como ningún otro tipo de modulación, puede no ser la opción más óptima para todos los ambientes. Sin embargo, en escenarios donde existe dispersión significativa de tiempo, distorsiones dependientes de la frecuencia y requisitos diversos de asignación del espectro de frecuencia, MCM puede ser la opción de modulación deseada. Aunque en muchos usos de comunicación, por ejemplo, en líneas de vista basada en los satélites o en los módems de cable, donde el canal no presenta una dispersión significativa y donde la interferencia es esencialmente plana en el dominio de la frecuencia, el uso de la modulación MCM no proporcionan ninguna ventaja. Así, en tales usos, un sistema basado en SCM resolverá adecuadamente los requisitos menos rigurosos de funcionamiento. Como se dijo anteriormente, las señales OFDM pueden sufrir de un alto PAR, tendiendo hacia una distribución gaussiana para una gran cantidad de subportadoras, razón por la cual existe gran cantidad de investigaciones acerca de la transmisión orientada al procesamiento de señales y


OFDM: “UNA BREVE PERSPECTIVA”

Tabla 1. Esquemas de modulación

Tabla 2. Numero de Múltiples trayectorias

métodos de codificación para atenuar los problemas asociados al truncamiento debido a estos altos valores nominales, como se puede notar en (Krongold, 2003, p.258) y ( Breiling, Muller-Weinfurtner y Huber, 2000). A continuación se presenta una comparación entre el uso de una sola portadora y multiportadora en OFDM: 4.2. Difusión de televisión digital

Tabla 3. Período de símbolos

decodificador AV (Audio y Video). La señal OFDM modulada es seleccionada en la sección del sintonizador, pasa por un bloque ADC, por el Demodulador OFDM y luego por el bloque Corrector de Errores, entrando al decodificador de audio y video (AV) en el cual la señal se separa en una señal audio y una señal video, como se observa en la figura 7.

OFDM también esta siendo utilizada como técnica de modulación para transmisión de video de alta definición a través de medios guiados, por ejemplo en [8] se observa que el ruido térmico es esparcido en todo el espectro, por lo que la degradación que sufre • Codificación variable del error. un símbolo en particular es reducida. Este hecho muestra que • Prefijo cíclico OFDM es muy rovariable. Figura 7. Estructura básica del receptor busta frente al ruido digital terrestre • Constelación térmico. variable. La Difusión de televisión digital, utilizando OFDM es un estándar flexible que se utiliza en países como Australia y presenta características como:

• Modulación QAM, 16QAM, 64QAM. Los receptores digitales terrestres se componen de tres bloques: el sintonizador, el demodulador OFDM y el

4.3. LAN Inalámbricas Las redes de área local inalámbricas (WLAN`s) son usadas para comunicaciones locales inalámbricas de alta velocidad, las cuales requieren ratas de

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VISIÓN ACTUAL


transmisión altas sobre canales de radio móviles. OFDM ha recibido recientemente atención considerable en las redes inalámbricas. Por ejemplo, el comité IEEE 802.11 y el instituto de estándares de telecomunicaciones europeas (ETSI) RES-10 comité para HIPERLAN, consideran la modulación multiportadora (MCM) (Prieto y Rodríguez, 2005). La red Inalámbrica demostrada en ATM (WAND) (Aldis, Althoff y Van Nee, 1996, p.196), es uno de los proyectos en HIPERLAN, que aplica la técnica OFDM. Actualmente en WLAN se ha utilizado: • 64 puntos FFT, usando 52 subportadoras. • Diferentes modos: codificación del error, prefijo cíclico. • Realimentación para determinar el modo de transmisión. Finalmente en (Gonzalez, Rodríguez y Mendoza, 2005) se presenta un sistema OFDM óptico para comunicaciones ante la presencia de múltiples usuarios, que hace uso de las técnicas de detección lineal utilizadas por los sistemas SDMA (acceso múltiple por división de espacio), aplicadas a un esquema OFDM.

Conclusiones • Como se ha planteado, OFDM evita el uso de bandas de guarda entre canales lo cual aumenta la eficiencia del espectro; pero esta ganancia no es tan benéfica, ya que se exige que haya un tiempo de guarda entre símbolos consecutivos enviados en cada canal, lo cual implica que se deba transmitir a menores velocidades. Esto es aplicable en comunicaciones móviles donde se necesita una buena eficiencia espectral tolerando velocidades relativamente bajas, del orden de los Kbps, como es el caso de la telefonía celular. • La modulación Multiportadora en un futuro será ideal para comunicaciones sobre canales dispersivos en los cuales la pérdida de inserción del canal y el ruido inyectado son dependientes de la frecuencia. • Los medios guiados y no guiados presentan dispersión y dependencia de la frecuencia, haciendo que DMT y OFDM sean en la mayoría de los casos, las modulaciones ideales para tales ambientes.

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OFDM: “UNA BREVE PERSPECTIVA”

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VISIÓN ACTUAL


VISIÓN DE CONTEXTO Clasificación del artículo: REVisión

LOS CONJUNTOS BORROSOS, MODELACIÓN CUALITATIVA DE LA REALIDAD EN INGENIERÍA FUZZY SETS, QUALITATIVE MODELING OF THE REALITY IN ENGINEERING Jaime Francisco Pantoja Benavides1 Harold Vacca González2

1

Licenciado en Matemáticas, Universidad Distrital Francisco José De Caldas, Especialista en Estadística de la Universidad Nacional de Colombia, vinculado al grupo “Robótica Móvil Autónoma ROMA” de la (UDFJDC) reconocido por COLCIENCIAS, como investigador auxiliar. Docente adscrito a la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. jfpantojab@udistrital. edu.co

2 Lic. En Matemáticas de la Universidad Distrital, Especialista en Ingeniería del Software de la misma Universidad. Coinvestigador del grupo UDINEX reconocido por Centro de Investigaciones de la Universidad Distrital CIDC. Docente adscrito a la Facultad Tecnológica. de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. hvacca@udistrital.edu. co

Resumen El artículo hace explícitas una serie de ideas, con ejemplos y gráficos, que le permitirán al lector asimilar un giro en el enfoque aplicativo de la Teoría de Conjuntos Clásica hacia los Conjuntos Borrosos con la extensión de nociones de inclusión, unión, intersección, complemento, relación, etc. Este nuevo marco formal, permite el tratamiento y la manipulación de la incertidumbre en el ámbito de modelación de numerosos fenómenos, particularmente de Control. Sea esta una motivación adicional para inducir la incorporación del tema en los currículos de tecnología e ingeniería, a partir del estudio sistemático de situaciones problema de la Electrónica, el Control y las Telecomunicaciones. Palabras clave

Incertidumbre, Conjunto borroso, nociones, relaciones, aplicaciones.

Summary

This paper presents a set of clear ideas through examples and graphs to allow the reader to assimilate a change in the approach of the Theory of Sets, emphasizing the importance of Fuzzy Sets extending the notions of inclusion, intersection, complement, relationship, etc. as normal frame to permit the treatment and manipulation of the uncertainty in the ambit of a number of phenomena, particularly in VISIÓN ELECTRÓNICA

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Control. This is an additional motivation to induce the incorporation of this subject into the curricula of both, technology and engineering, through the systematic study of typical problems in Electronics, Control, and telecommunications.

Key Words

Uncertainty, Set Fuzzy, notions, relationships, applications

Introducción La idea básica que subyace al desarrollo de la ciencia es la búsqueda de la verdad; pero en la mayoría


LOS CONJUNTOS BORROSOS, MODELACIÓN CUALITATIVA DE LA REALIDAD EN INGENIERÍA

de las concepciones desarrolladas por los académicos de todas las épocas se supone una intrínseca dicotomía entre verdadero y falso. Matemáticamente hablando, esta oposición implica la validez de dos leyes fundamentales: toda proposición es verdadera o falsa y no cabe otra posibilidad; y ninguna proposición es verdadera y falsa simultáneamente. Ello, generó una serie de paradojas e insatisfacciones que le dieron paso a la necesidad de superar esta estricta bivalencia veritativa de la lógica clásica. Filosóficamente, hasta que aparece la concepción de la falsabilidad Popperiana, una teoría será verdadera si es satisfactoria para describir un dominio dado de la realidad, y en la lógica, Luckasiewicz, en 1920, propuso tres valores veritativos para las proposiciones: verdadero, falso e indeterminado. Es decir, se hizo necesario un replanteamiento radical de los conceptos clásicos de verdad y falsedad, sustituyéndolos por el concepto de vaguedad o borrosidad, dentro de los cuales la verdad y/o falsedad no son más que casos extremos. Por borrosidad entendemos el hecho de que una proposición pueda ser parcialmente verdadera y parcialmente falsa de forma simultánea. Es decir, se deben involucrar nuevas nociones como el uso de variables lingüísticas, algoritmos, cuantificadores y predicados de carácter difuso; para decidir sobre la realidad, dando origen así a una lógica polivalente [2], generatriz de la Teoría de Conjuntos Borrosos. Según Lotfi Zadeh (Pionero de la teoría de conjuntos borrosos) al abordar el estudio de fenómenos y a medida que la complejidad de un sistema aumenta, nuestra capacidad de realizar formulaciones precisas y significativas sobre su comportamiento disminuye hasta que se alcanza un umbral por debajo del cual la

precisión y la relevancia se convierten en características mutuamente excluyentes. [14]. Éste es el “principio de incompatibilidad”. En ingeniería, donde frecuentemente el pensamiento dinámico intenta formular simbólicamente sistemas mentales, la incompatibibilidad de las variaciones en los fenómenos implica el arte de modelar en la presencia de grados de incertidumbre, es decir, producir modelos matemáticos que simulen ciertos subprocesos que ocurren en la realidad; poniéndolos a prueba, ajustándolos, comparándolos y generalizándolos o descartándolos, con esta reciente tecnología socialmente disponible de los conjuntos borrosos.

1. Noción de Conjunto Borroso El proceso por el cual se determina si los elementos del conjunto referencial X son o no miembros de un conjunto, puede definirse por una función característica. Para un conjunto dado A, esta función asigna un valor mA(x) a cada tal que: [10], [12] Así, la función envía los elementos del conjunto referencial al conjunto cuyos elementos son 0 o 1. Esto puede indicarse por mA:→ {0,1},. Esta función puede generalizarse, de tal forma que los valores asignados a los elementos del conjunto referencial caigan dentro de un rango específico, e indiquen el grado de pertenencia de estos elementos con respecto al conjunto en cuestión. Los valores más grandes denotan más altos grados de pertenencia al conjunto. Tal función se llama función de pertenencia o de membresía [13], y el conjunto definido por ella se llama conjunto borroso. [6], [14].

99

VISIÓN DE CONTEXTO


Figura 1. Función de pertenencia “Valores cercanos a cero”

Definición 1. Un conjunto borroso  en un espacio de puntos X, es una clase de eventos con un continuo grado de pertenencia y se caracteriza por una función de pertenencia mÂ(x), la cual asocia a cada punto de X un número real en el intervalo [0,1], es decir mÂ(x):X → [0.1]. [12] Por ejemplo se puede definir una posible función de pertenencia para el conjunto borroso de números cercanos a cero, como, [7]: 1 (1) mÂ(x)= 1+10x2 Usando esta función, se puede determinar el grado de pertenencia de cada número real en este conjunto borroso, que significa el grado en el cual ese número es cercano a cero, es decir, al número 1.2 se le asigna un grado de 0.055, al número 1 un grado de 0.09, al número 0.25 un grado de 0.62 y al número 0 un grado de 1.

2. Conceptos básicos de conjuntos borrosos Aquí se trataran extensiones y generalizaciones de los conceptos básicos de conjuntos clásicos [10], [12], y otros únicos para el marco de conjuntos borrosos. Para

100

ilustrar algunos de los conceptos, se consideran los grados de pertenencia de los elementos de un conjunto referencial en cuatro conjuntos borrosos diferentes, como se muestra en la tabla 1. Aquí, el conjunto referencial clásico X de edades, que se ha seleccionado, es como se muestra en (2). Y los conjuntos borrosos nominados: niño, adulto, jóven y viejo conceptos vagos o del lenguaje cotidiano, son cuatro de los elementos del conjunto potencia que consta, de todos los subconjuntos borrosos posibles de X y se denota ℘(X) análogo al concepto de conjunto potencia ℘(X) en la teoría de conjuntos clásica, formado por todos los posible subconjuntos de X [6]:

(X)={5,10,20,30,40,50,60,70,80}

(2)

Tabla 1. Conjuntos borrosos Elementos (edades)

niño

adulto

jóven

Viejo

5

0

0

1

0

10

0

0

1

0

20

0

0.8

0.8

0.1

30

0

1

0.5

0.2

40

0

1

0.2

0.4

50

0

1

0.1

0.6

60

0

1

0

0.8

70

0

1

0

1

80

0

1

0

1

El soporte de un conjunto difuso  en el conjunto referencial X, es el conjunto clásico que contiene todos los elementos de X que tiene grado de pertenencia diferente a 0 en  . Esto es, los soportes de los conjuntos borrosos en X se obtienen por la función supp℘(X) →℘(X), donde suppÂ={x∈X /mÂ(x)>0}.


LOS CONJUNTOS BORROSOS, MODELACIÓN CUALITATIVA DE LA REALIDAD EN INGENIERÍA

Por ejemplo, en la tabla 1, el soporte del conjunto borroso jóven es el conjunto supp (jóven)={5,10,20,30,40,50}. Un conjunto borroso vacío tiene un soporte vacío, como el conjunto borroso niño, supp (niño)={ }. Sea xi un elemento del soporte (finito) del  conjunto borroso A , y,mi su grado de perte   nencia en A , entonces, A se escribe como A = donde / se emplea para unir los elementos del soporte con sus  grados de pertenencia en A . Para el caso  en el cual un conjunto borroso A se define sobre un conjunto referencial que es finito y contable, podemos describir

Â

(3)

Análogamente, cuando X es un intervalo de números reales, un conjunto borroso A se escribe a menudo de la forma  A

[1], [3], [6].

(4)

La altura de un conjunto borroso es el grado de pertenencia más grande ostentado por cualquier elemento en ese conjunto. Un conjunto borroso se llama normalizado [2], [6], cuando al menos uno de sus elementos ostenta el grado de pertenencia máximo posible. Si por ejemplo, los grados de pertenencia caen en el intervalo cerrado [0,1], entonces, al menos un elemento debe tener el grado de pertenencia de 1 para que el conjunto difuso sea considerado normalizado. Claramente, esto también implica que la altura del conjunto borroso es 1. Los tres conjuntos borrosos: adulto, jóven y viejo, de la tabla 1., al igual que el definido en la Figura 1, son normalizados. Un a– corte, [2], [6], de un conjunto borroso   A es un conjunto clásico Aa que contiene todos los electos del conjunto referencial

X, que tiene un grado de pertenencia en  A mayor o igual al valor especificado de  a. Esto es, Aa , el valor a puede escogerse arbitrariamente, pero se toma a menudo de los valores de los grados de pertenencia que aparecen en el conjunto borroso en consideración. Por ejemplo, para a =0.2, el a-corte del conjunto borroso jóven, de la Tabla 1., es el conjunto clásico, :

VISIÓN DE CONTEXTO

Para a = 0.8 Para a =1 Obsérvese, que el conjunto de todos los a-cortes de cualquier conjunto borroso sobre X, es una familia de subconjuntos de X. El conjunto de todos los niveles a∈[0,1], que representan distintos a-cortes de un conjunto borroso dado , se llama conjunto nivel en , [2], [6]. Formalmente donde denota el conjunto nivel del conjunto A definido sobre X. La cardinalidad escalar, [2], [6], de un conjunto borroso , definido sobre algún conjunto referencial finito X, es la sumatoria de los grados de pertenencia de todos los elementos de X en . Así, mÂ(x) de esta manera, la cardinalidad escalar del conjunto borroso viejo de la tabla 1. Es: =4.1, y la cardinalidad del conjunto borroso niño es 0. La cardinalidad borrosa se define más como un número difuso que como un número real, como es el caso de la cardinalidad escalar. Cuando un conjunto borroso tiene un soporte finito, su cardinalidad difusa |Ā| es un conjunto borroso (número borroso3), definido sobre los naturales, cuya función de pertenencia está dada por m|Ā|(|Aa|)= a para todo a∈∧A .

101

3 E l c o n c e p t o d e “número borroso” es el fundamento de la “aritmética borrosa”, que puede ser exam i n ada como una extensión de intervalo aritmético, [4], [3]. Entre otras aplicaciones, los números borrosos son esenciales para la expresión de los cardinales borrosos y consecuentemente los cuantificadores b or rosos. La aritmética borrosa es un instrumento básico para relacionar los cuantificadores borrosos con la aproximación al razonamiento, esto es también una base para el desarrollo para un cálculo difuso [1]. Para una ampliación solamente sobre este tema ver [5].


La cardinalidad difusa del conjunto difuso viejo de la tabla 1. Es: . Si el grado de pertenencia de cada elemento de un conjunto borroso es menor o igual que el grado de pertenencia de cada elemento de un conjunto difuso , donde y pertenecen al conjunto referencial X, entonces se llama subconjunto de ; [6], [14]. En otras palabras ≤ para cada . El conjunto borroso viejo, en la tabla 1, es un subconjunto del conjunto borroso adulto, ya que cada elemento en el conjunto referencial cumple con: . Los conjuntos borrosos y se dicen iguales si mA(x)=mB(x), para todo x∈X, denotado = . Si los conjuntos borrosos no son iguales es porque mA(x)≠mB(x), para algún x∈X, denotado ≠ . El conjunto borroso se llama subconjunto propio del conjunto borroso cuando es un subconjunto de y los dos conjuntos son diferentes, esto es, mA(x)≤mB(x) para cada x∈X y mA(x)<mB(x) para, al menos, un x∈X, así ⊂ si y solo si ⊆ y ≠ . Se mencionó que el conjunto borroso viejo de la tabla 1 es un subconjunto borroso del conjunto borroso adulto y que estos dos conjuntos borrosos no son iguales, por consiguiente, viejo es un subconjunto propio de adulto. Cuando los grados de pertenencia caen en el intervalo cerrado [0,1], se denota el complemento borroso,[2], [6], [7], con respecto al conjunto referencial X por Ā y se define mĀ(x)=1– mA(x), para cada x∈X.

102

Así, si un elemento tiene grado de pertenencia de 0.8 en un conjunto A, su grado de pertenencia en Ā será 0.2. La unión de dos conjuntos conjunto borroso ⋃ , tal que:

es un

m ⋃ (x)=max[m (x), m (x)], para cada x ∈ X. Así que, el grado de pertenencia de cada elemento del conjunto universal en ⋃ es el grado de pertenencia en o el grado de pertenencia en , el que sea mayor entre los dos. De lo cual se concluye que los conjuntos borrosos son subconjuntos del conjunto borroso ⋃ , [6], [7] y [14]. Por ejemplo, sean los jóven y viejo de la tabla 1, se obtiene el siguiente conjunto borroso: jóven ⋃ viejo = 1/5+1/10+0.8/20+ 0.5/30+0.4/40+0.6/50+0.8/60+1/70+1/80 La intersección de conjuntos borrosos es un conjunto borroso ⋂ tal que: m ⋂ (x)= min [mA (x), mB (x)], para cada x∈X. Aquí, el grado de pertenencia de cada elemento del conjunto universal en ⋂ es el grado de pertenencia más pequeño de cada uno de los grados de pertenencia en y en . Como es de esperarse, el conjunto borroso ⋂ es subconjunto tanto de como de . Por ejemplo, sean los conjuntos joven y viejo de la tabla 1, se obtiene el siguiente conjunto borroso: jóven ⋂ viejo = 1/5+1/10+0.8/20+ 0.5/0/10+0.1/20+0.2/30+0.2/30+0.2/40+0.1/ 50+0/60+0/70+0/80 Estas formulaciones originales de complemento, unión e intersección borrosa actúan de forma análoga a los correspondientes


LOS CONJUNTOS BORROSOS, MODELACIÓN CUALITATIVA DE LA REALIDAD EN INGENIERÍA

operadores de conjuntos clásicos, cuando los grados de pertenencia están restringidos a los valores 0 y 1.

VISIÓN DE CONTEXTO

Un principio básico que permite la generalización de conceptos matemáticos clásicos al marco borroso, se conoce como el principio de extensión. Este brinda el medio para que cualquier función f que aplica puntos x1, x2,...,xn, del conjunto clásico X en el conjunto clásico Y, se generalice, tal que aplique subconjuntos borrosos de X en Y. Formalmente, dada una función f que aplica puntos de X en puntos de Y, para cualquier conjunto borroso ∈℘ ˜ (x), donde: = m1/x1+ m2/x2+... +mn/xn. El principio de extensión indica que:

Sea 1un conjunto borroso sobre X1 y sea un conjunto borroso definido sobre 2 X 2 tales que: A 1= 0.8/a+0.9/b+0.6/6, y A 2= 0.6/x+1/y.

ƒ ( ) = ƒ(m1/x1+ m2/x2+... +mn/xn)= m1 / ƒ(x1)+ m2/ƒ(x 2)+ ... +mn/ƒ(x n)

m

Si más de un elemento de X es enviado por f al mismo elemento y∈Y, entonces, el máximo de los grados de pertenencia de estos elementos en el conjunto difuso , se escoge como el grado de pertenencia para Y en f ( ). Si ningún elemento x∈Y se aplica en y∈Y, entonces, el grado de pertenencia de Y en f ( ) es cero. A menudo, la función f aplica n-uplas ordenadas de elementos de muchos conjuntos diferentes X1, X2, …,Xn, tal que ƒ(x1,x2,...,xn)=y, y ∈Y. En este caso, para conjuntos borrosos 1, 2,..., n arbitrarios definidos sobre x1,x2,...,xn, respectivamente, el grado de pertenencia del elemento y en ƒ( 1, 2,..., n) es igual al mínimo de los grados de pertenencia de x1,x2,...,xn en , 2,..., n, respectivamente. 1 Como una ilustración simple del uso de este principio, suponga que f es una función que envía pares ordenados de X1={a,b,c} y X2={x,y} en Y={p,q,r}. Sea f, especificada por la siguiente matriz:

Los grados de pertenencia de p, q y r en el conjunto difuso B= ƒ(A1, A2)∈℘(Y ˜ ), pueden ser calculados a partir del principio de extensión como sigue: m

(5)

m

Así, por el principio de extensión: ƒ( 1, 2)=0.8/p+0.6/q+0.6/r.

3. Relaciones difusas Las nociones de gráfica, correspondencia y relación juegan un papel importante en las aplicaciones de la matemática, por ejemplo, el concepto de clase de equivalencia (en conjuntos clásicos, [12], [10]). Este, será reemplazado por una semejanza fuerte y más apta para representar algunas situaciones menos precisas, pero que se encuentran más frecuentemente. El ingeniero investigador, considerará esta opción, para medir la igualdad de ciertos objetos presentes en fenómenos, hasta cierta propiedad de incertidumbre, propicia para fenómenos complejos.

103


Definición 2. Una relación borrosa es un conjunto borroso definido sobre el producto cartesiano de conjuntos ordinarios X1, X2, …,Xn, donde las n-uplas (x1,x2,...,xn) pueden tener grados diferentes de pertenencia en la relación. Este grado de pertenencia es representado usualmente por un número real contenido en el intervalo cerrado [0,1] e indica la relación presente entre los elementos de la n-uplas, [6], [7], [14]. Ejemplo Sea ℜ una relación borrosa entre dos conjuntos, X ={Bogotá, Cartagena}, y Y ={Rioacha, Bogotá, Medellín},que representa el concepto de relación “muy lejos”. Esta relación puede escribirse: ℜ (X,Y) = 1/(Bogotá, Rioacha) + 0/(Bogotá, Bogotá) +0.4/(Bogotá, Medellín) +0.6/(Cartagena, Rioacha) +0.9/(Cartagena, Bogotá) +0.7/(Cartagena, Medellín), (7) Cuya matriz de pertenencia se muestra en la tabla 2.

Tabla 2. Matriz de pertenencia Cartagena

Riohacha Bogotá Medellín

[

Bogotá

]

1

0.6

0

0.9

0.4

0.7

3.1. Relaciones binarias

4

El símbolo ℜ se usa como xℜ y cuando (x,y) ∈ ℜ(x,y); para las relaciones difusas se escribirá w/ xℜy cuando mℜ(x,y)= w.

Definición 3. A toda relación entre dos conjuntos X e Y se le denomina binaria. Esta se denota por ℜ(X,Y)4 y para su representación, se puede acudir a una matriz de pertenencia o a un diagrama sagital, como las mostradas en la figura 2.

104

Figura 2. Ejemplo de representación de una relación binaria borrosa:

(a) Matriz de pertenencia; (b) Diagrama sagital

(a)

(b)

3.1.1. Relaciones binarias sobre un conjunto único Así como se definió una relación binaria entre dos conjuntos diferentes, también es posible hacer una definición análoga entre los elementos de un mismo conjunto X. Dicha relación puede denotarse por ℜ(X,X). Una relación ℜ(X,X) puede también ser expresada como las relaciones binarias generales (diagramas sagitales, matrices). Sin embargo, se pueden representar convenientemente por medio de diagramas simples que cumplan con las siguientes condiciones: i) Cada elemento del conjunto X se representa por un único nodo. ii) Las conexiones dirigidas entre nodos, indican pares de elementos de X con grado de pertenencia en ℜ diferente de cero. iii) Cada conexión en el diagrama se denomina por el grado de pertenencia actual del par correspondiente en ℜ.


LOS CONJUNTOS BORROSOS, MODELACIÓN CUALITATIVA DE LA REALIDAD EN INGENIERÍA

Figura 3. Formas de representación de una relación borrosa ℜ(X,X)

(a) Diagrama sagital; (b) Diagrama simple; (c) Matriz de pertenencia; (d) Tabla

relación se llama asimétrica. Si (x, y)∈ℜ ó (y, x)∈ℜ, siempre que x≠y, entonces la relación se llama estrictamente antisimétrica.

VISIÓN DE CONTEXTO

Análogamente, para la teoría borrosa, ℜ(X,X) es simétrica, si y sólo si, mℜ(x, y) = mℜ(y, x), para todo x, y∈X . Definición 6. En la teoría clásica, ℜ(X,X) es transitiva si y solo si(x, z)∈ℜ siempre que (x, y)∈ℜ y (y, z)∈ℜ, para al menos un y∈X. Una relación que no satisface esta propiedad se llama no transitiva.

(a)

(c)

(b) X

*

mℜ(x1*)

x1

x1

0.5

x1

x3

0.1

x2

x2

0.3

x3

x1

0.7

x3

x3

0.9

(d)

En la figura 3, se describe una relación ℜ(X,X), definida sobre X={x1,x2,x3}, en sus diferentes formas de representación, [6], [7], [14]. Definición 4. Una relación clásica ℜ(X,X) es reflexiva, si y sólo si, (x, x)∈ℜ para todo x∈X. Una relación borrosa ℜ(X,X) es reflexiva, si y sólo si, mℜ(x, x) = 1 para todo x∈X.. En cada una de las teorías, si éste no es caso para algún x∈X, entonces, la relación se llama irreflexiva. Definición 5. Una relación clásica ℜ(X,X) es simétrica, si y sólo si, (x, y)∈ℜ se tiene también (y, x)∈ℜ, para todo x, y∈X. Si este no es caso para cada x, y∈X, entonces, la

Si se trabaja en la teoría borrosa, ℜ(X,X) es transitiva (más específicamente transitiva max-min) si y sólo si, mℜ(x, z)≥max min[mℜ(x, y∈Y y), mℜ(y, z)], [1], se satisface para cada par (x, z)∈ℜ(X,X) . Si no se cumple la anterior inecuación para alguno de los miembros de X, se llamará no transitiva5. Ejemplo. Dada ℜ una relación borrosa definida sobre el conjunto de colegios, que representa el concepto “muy cerca”, ella cumple:  Relación reflexiva. Ya que se puede asumir que un colegio está “muy cerca” de si mismo (por ejemplo, a un grado de 1).  Relación simétrica. Si un colegio X está “muy cerca” de un colegio Y, entonces, Y está ciertamente “muy cerca” al colegio X (al mismo grado).  Relación no transitiva. Si el colegio X está “muy cerca” al colegio Y, por ejemplo a un grado de 0.6, y el colegio Y está “muy cerca” al colegio Z, a algún grado, digamos 0.6, es posible (aunque no necesario), que X esté “muy cerca” al colegio Z a un grado más pequeño, por ejemplo 0.4, [6], [7].

105

5 Las nociones de relación borrosa, basada en la composición maxmin fue propuesta e investigada inicialmente por Sánchez [1976] y luego por Prevot [1981] y , Drewniak Czogalo, Drewniak y Pedryez [1982] para conjuntos finitos.


4. Aplicaciones

6

En este artículo, dividen el campo de acción del robot utilizando celdas que contienen información sobre la probabilidad de que el robot esté en esa celda, e información sobre cual es el rango de orientaciones más probables para el robot. Para ello se valen de un trapezoide difuso, definido por la n-upla (θ,ρ,α, h,b), cuyas variables son referidas a la geometría del trapezoide; e iterativamente se dan pasos de predicción y de actualización.

El uso de conjuntos borrosos en el área de control fue una de las primeras aplicaciones prácticas del paradigma, [8]. Debido a su naturaleza cualitativa, es posible utilizar controladores sobre diferentes plataformas sin realizar muchos cambios. Los resultados de investigación, se aprecian en control de ascensores (Toshiba), sistemas de diagnóstico de golf (Maruman Golf), video cámaras (Sony/Canon), lavadoras (Matsushita), aspiradoras (Matsushita), calentadores de agua (Matsushita), aire acondicionado (Mitsubishi), inversiones (Yamaichi Securities), etc. Igualmente, utilizando modelos no lineales aproximados para la regulación de posición de dispositivos, se han planteado intuitivamente conjuntos borrosos como error y velocidad.. Junto a ello, la adquisición de datos en tiempo real utilizando Software como Lab View enlazado por Script con la simulación del controlador borroso a través del Toolbox de Matlab®, v. [13], facilita, cuando se conocen los universos de entrada (error, velocidad, etc.) y salida (voltajes, presiones, etc); la selección de funciones de pertenencia ( triangulares, trapezoidales, sigmoideas); los métodos (Mamdani o Sugeno), y las relaciones. La teoría de conjuntos borrosos también ha demostrado recientemente ser una herramienta especialmente útil en la investigación en robótica, dada la presencia de incertidumbre en el conocimiento que se tiene del entorno del móvil, en dos sentidos: observar la imprecisión debida a la dificultad de caracterizar una medida en un valor concreto (conjunto crisp) y la recurrente falta de evidencia, debida al conocimiento incompleto [9]. Es posible entonces medir de esta nueva manera: la auto-localización, los

106

Comportamientos (evitar obstáculos fijos, seguir un contorno, evitar obstáculos móviles, cruzar puertas, seguir una trayectoria, empujar o cargar un objeto, etc., v [4]), las Geometrías, las Topologías, la Navegación, la percepción y el aprendizaje, v [11]. Desde lo particular, un problema básico en robótica es la planificación de los movimientos para resolver alguna tarea ya especificada, y el control del robot mientras ejecuta las órdenes necesarias para lograr unos objetivos. Para una máquina, la clasificación de rostros, datos médicos o reconocimiento de letras son tareas difíciles, más que para un ser humano, y necesita del aprendizaje de estructuras borrosas, donde el asunto consiste en adaptar los parámetros de un sistema, en este caso artificial, para obtener la respuesta deseada, [9]. Para ello basta modelar: los Comportamientos a través del Diseño de Comportamientos, Coordinación de Comportamientos, Fusión de comportamientos, y Arbitraje de comportamientos. La Geometría y la Topología, a través de la constitución de regiones denominadas segmentos difusos de posibilidad, que definen las fronteras de un espacio georeferenciado, v. [11]6. La Navegación, desde la información recogida a través de los conjuntos borrosos se representa la incertidumbre en la localización real de los objetos al ejecutar un conjunto de reglas de inferencia borrosas y defuzzificar los resultados. La Percepción a través de la detección de características del entorno (luz del ambiente, complejidad del entorno) mediante un sistema de visión, por ejemplo, una cámara de video de cuyo producto se trata la imagen en tiempo real. El Aprendizaje sobre una población de reglas borrosas, por el cual se aprenden a coordinar los comportamientos produciendo meta-reglas difusas que determinan el contexto en el que será activado cada comportamiento [11].


LOS CONJUNTOS BORROSOS, MODELACIÓN CUALITATIVA DE LA REALIDAD EN INGENIERÍA

VISIÓN DE CONTEXTO

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[12] Muñoz Quevedo, José Maria. Introducción a la teoría de conjuntos. Universidad Nacional de Colombia: Santa fe de Bogotá, 1.983. [13] Rairán, A. D. (2007). “Implementación de un controlador Difuso para la regulación de posición de un cilíndrico hidráulico lineal”. Bogotá D.C. Tecnura No 19 pp. 18 – 28. [14] Zadeh, Lotfi . Advances in fuzzy set theory and aplications. Academic press: New York, 1.978. [15] ____________Fuzzy sets and their aplications to cognitive and decision processes. Academic press: New York, 1.975. [16] ____________ Linear system theory: the state space approach. Mc-Graw Hill: New York, 1.969. System theory. Mc-Graw hill: New York, 1.969. Infografía http://www.lpa.co.uk/fln.htmhttp://www.hyperlogic.com http://www.ortech-engr.com/fuzzy/togai.html http://decsai.ugr.es/difuso/software/software_oscar95.html http://www.fuzzy-logic.com/fuzzy_logic_110.html Recursos de Software Asociado Fuzzy Logic 2.0 – Requiere Matemática –. PAI (Programa para Automatización Inteligente) creado con el software LabWindows/CVI TM y validado para ser utilizado en ambientes universitarios o industriales. UNFUZZY 1.2 Software para el Análisis, Diseño, Simulación e Implementación de Sistemas de Lógica Difusa.

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VISIÓN DE CONTEXTO Clasificación del artículo: REVisión

LA NUEVA DIDÁCTICA DE LAS CIENCIAS NATURALES Y LOS MODELOS CIENTÍFICOS THE NEW DIDACTIC OF THE NATURAL SCIENCES AND THE SCIENTIFIC MODELS Rosendo López González1

Resumen En este trabajo se intenta soportar un modelo constructivista de investigación en la enseñanza de las ciencias naturales. Teniendo en cuenta que las llamadas ciencias naturales, no han seguido el mismo camino en sus desarrollos como ciencias, todas se pueden englobar en sus reconstrucciones históricas en la idea de modelos científicos. Palabras clave

Modelos científicos. Didáctica de las Ciencias. Ciencias Naturales.

Summary

This work tries to support a constructivist model of investigation in the teaching of natural sciences. Taking into account that the natural sciences have not followed the same way in its developments, as sciences, therefore, all of them can be gather in its historical reconstructions in the idea of scientific models.

Introducción Es objeto de investigación los diferentes caminos que han tomado las Ciencias Naturales en la búsqueda de un estatuto epistemológico que la soporte como ciencia. Uno fue el camino de la física, que a juicio de los epistemológos más preponderantes del siglo XX (Popper, Lakatos, Kunh) sus representaciones de las realidades investigadas entraban en la categoría epistemológicas de teorías científicas, para unos y paradigmas para otros. El desarrollo de las ciencias a través de la historia ha sido progresivo y no exento de visicitudes, para

Key Words

Scientific Models. Didactic of the Sciences. Natural Sciences. VISIÓN ELECTRÓNICA

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Ingeniero Químico de la Universidad del Atlántico, Especialista en Bioingeniería Universidad Distrital, Especialista en Medio Ambiente Universidad Autónoma de Colombia, Msc. En Filosofía Latinoamericana de la Universidad Santo Tomas y de Maestría en Enseñanza de la Química de la Universidad Pedagógica Nacional. Docente de planta de la Universidad Distrital, adscrito a la Facultad Tecnológica. rlopezg@udistrital.edu. co, rosendolopez@ tutopia.com.


Paúl Benoit (1991) la definición de ciencia es un concepto mutable. Si pensamos tener una idea de lo que ha significado la evolución de la ciencia para el desarrollo de la humanidad es menester tener en cuenta que en el llamado mundo Occidental en los siglos X y XI, una gran parte ignora la escritura, pero ya en los comienzos de siglo XII, las personas que sabían leer y escribir eran considerados sabios. Los bríos de Tomas de Aquino, en el siglo XIII, en sus obras, son muestra de un esfuerzo por construir una epistemología de la llamada ciencia, cuyo sostén científico fuera la autoridad de la Sagrada Escritura. En la clasificación de las ciencias que se hacían para esa época, la teología estaba en la cima del saber teórico, cuyos referentes epistemológicos, se basaban en un conocimiento superior: la ciencia de los bienaventurados, es decir de la revelación. Lógicamente una “ciencia” que asentaba sus fuentes en la revelación, estaba condenada al fracaso, sin embargo, más adelante se abre paso a una nueva ciencia cuyo cimiento fuese la observación y la razón. En el siglo XVII, los escritos de Galileo (1994) plantean definitivamente una ruptura epistemológica, con la ciencia de Tomas de Aquino al señalar enfáticamente la necesidad de la observación, es decir la experimentación para construir ciencia, dejando atrás como fuente del conocimiento científico las Sagradas Escrituras y sus incuestionables principios revelativos. Estas nuevas ideas y concepciones de lo científico, en cuanto a la objetividad, metieron a la ciencia en un nuevo horizonte, separándola de lo mítico-religioso y creando las bases para una concepción empirista, que permaneció incólume hasta comienzos del siglo veinte.

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Se puede afirmar, entonces, que el advenimiento del siglo XVII, es el renacer de una nueva ciencia cuyo diálogo con la naturaleza, no era a través de los textos canónicos, sino priorizando la experiencia. Es el bautizo del empirismo científico, que bajo la ideología de Francis Bacon (15611626) se erige como doctrina oficial de la Royal Society a mediados del siglo XVII, cuyo método de investigación es el método inductivo, profesado principalmente por Boyle. Otra ruptura importante en la reconstrucción histórica de las ciencias, tiene que ver con la imagen científica del universo ocurrido en el siglo XIX a propósito de la formulación de la naturaleza dual de la materia: onda y partícula. Estos hechos llevan a los epistemológos a detenerse en la búsqueda de explicaciones primigenias acerca de estas nuevas formulaciones, sobre todo estaba siempre latente la pregunta: ¿Dónde se originaban los errores cometidos por los científicos al formular las teorías e hipótesis? Los grandes avances ocurridos en el siglo XX, en el desarrollo de los conocimientos científicos expresados en un cambio paradigmático entre la representación de mundo de Newton, con la física clásica y las nuevas versiones, basadas en la mecánica cuántica, con el descubrimiento de las llamadas partículas elementales constitutivas del átomo, llevó algunos filósofos de la ciencia a indagar sobre la necesidad de hacer una demarcación entre el conocimiento científico y la metafísica. La imagen de la ciencia de hoy, es absolutamente diferente a la de los tiempos pretéritos, cuando se desarrolló en el contexto único de la Europa del siglo XVII. Podría


LA NUEVA DIDÁCTICA DE LAS CIENCIAS NATURALES Y LOS MODELOS CIENTÍFICOS

explicarse siguiendo los planteamientos de Kunh (1992), en el entendimiento de lo que significa “ciencia normal”: investigación basada en realizaciones científicas pasadas avaladas, por la comunidad científica, que sirven de fundamentos para sus prácticas investigativas futuras.

1. Modelo constructivista de investigación en las ciencias naturales En investigación sobre la Didáctica de la Ciencia en general y la química en particular, hacemos del modelo construstivista nuestro punto de referencia. De tal manera que antes de responder a la pregunta de la epistemología, que consiste en: ¿Cuál es la relación del investigador con lo investigado? es conveniente primero ubicarnos ontológicamente. En este caso la pregunta ontológica sería: ¿Qué puede ser conocido? Dentro del modelo tradicional de investigación, la respuesta a la pregunta ontológica es muy sencilla: la realidad existe fuera de la conciencia del individuo, sin tener en cuenta el acto de conocer. El investigador necesita fotografiar dicha realidad, es decir estamos ante una ontología realista donde el observador es una persona privilegiada, acentuándose una relación de poder frente a la naturaleza observada, es decir unidimensional. La ontología realista o ingenua, parte de que las leyes existen en la naturaleza, la tarea del investigador es descubrirlas, además existe siempre una relación causa–efecto, es decir una realidad única y permanente. El modelo constructivista en la investigación, responde a la pregunta ontológica de manera relativista, de acuerdo con las creencias y vivencias del investigador

existen un sin número de realidades Este modelo, erige realidades de tal manera que se puede hablar de un conocimiento socialmente construido, es decir, habrán múltiples realidades. La fundamentación epistemológica, va de la mano y en concordancia, con la pregunta ontológica, de tal manera que en la relación del conocedor con lo conocido en los proceso de investigación en Ciencias Naturales, se aplican unas estrategias flexibles y hermenéuticas con el fin de orientar la investigación.

VISIÓN DE CONTEXTO

En un ensayo Max Planck2 denominado: La imagen del universo físico en la ciencia, da una respuesta a la pregunta ontológica, admitiendo que el mundo exterior de la realidad es gobernado por un sistema de leyes, el físico elabora una síntesis de conceptos y teoremas; y esta síntesis es considerada como la imagen científica del universo La llamada revolución epistemológica cuya temporalidad abarca finales del siglo XIX y comienzos del siglo XX (Badillo Torres, 2006) se hace insuficiente para englobar mediante la categoría epistemológicos de teorías, a las ciencias distintas a la física, como la química y la biología. Constatándose esa afirmación en la abundante literatura de los textos, escritos para tal fin, de: Popper, Lakatos, y con algunas diferencias en Kunh. La profesora Badillo Torres (2006), descorre el velo de una discusión que va a dar para mucho, sobre todo a los docentes que trabajan el campo de la química puesto que argumenta de manera audaz, como en el desarrollo de las ciencias, la química sigue un formato diferente, en cuanto a sus orígenes metodológicos y conceptuales,

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En 1900 Planck formuló que la energía se radia en unidades pequeñas separadas denominadas cuantos. Avanzando en el desarrollo de esta teoría, descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce como la constante de Planck.


este nueva conformación es la categoría epistemológica de modelo. Aquí también ponemos, también por delante la pregunta ontológica. Un esquema de este modelo, se presenta a continuación:

Figura 1. Modelo Constructivista de investigación en las ciencias naturales

V

El modelo dado en la figura 1, pretende expresar como fundamento esencial lo ontológico dentro de un proceso de investigación de edificación de conocimiento en las ciencias naturales. Unido a este se encuentra una realidad cambiante dentro de un contexto de interacción, entre un sujeto cognoscente y un objeto de conocimiento, que se evidencia en el acto perceptivo y subjetivo donde emerge la necesidad por el conocer. Este acto ontológico, implica asumir una epistemología subjetivista y una metodología interpretativa que oriente la construcción del conocimiento.

2 Aproximación al origen de las representaciones o Modelos Planck, acepta en su ensayo “¿A dónde va la ciencia?” que la imagen del universo físico, es reprensada por los físicos a través

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de conceptos y teoremas. La profesora Badillo Torres, haciendo la salvedad que la química siguió un desarrollo diferente se aparta de la categoría epistemológica de teorías, aludiendo a los epistemológos del siglo pasado, y formulando la categoría de modelo científico, un tanto acorde con algunas líneas de investigación inherentes a la Nueva Didáctica de la Ciencia. En una aproximación a los orígenes de la formulación de la categoría de modelos científicos, con el fin de definir la relación de los investigadores con el mundo material o de otra manera la interpretación ontológica de las realidades, son absolutamente útiles los planteamientos kantianos, sobre la idea de objetos que hieren nuestros sentidos y ora provocan por si mismos representaciones (Kant, 1991). Kant, llama materia bruta a las impresiones sensibles pero le da la facultad de poder transformarse en conocimiento. En otras palabras, los conceptos y teoremas, las teorías, y la categoría epistemológica de modelo, pudieron comenzar con la experiencia, pero la mente a través de un mecanismo ya estudiado por las ciencias cognitivas, lo trasforma en conocimiento, y esas son las representaciones de Kant. Llamo trascendental, (Kant, 1991) todo conocimiento que se ocupa en general no tanto de objetos como de nuestro modo de conocerlo, en cuanto éste debe ser posible a priori, y bautiza este sistema como filosofía trascendental, en otras palabras la llamada filosofía trascendental se ocupa de estudiar el pensamiento puro, es decir la razón pura. Para Kant, hay dos tipos de conocer, uno a causa de la sensibilidad y otro debido al entendimiento. Por el primero, nos son dados los objetos, y por el segundo son dados los


LA NUEVA DIDÁCTICA DE LAS CIENCIAS NATURALES Y LOS MODELOS CIENTÍFICOS

objetos pensados. Ambos modos contienen conocimientos a priori, sin embargo en el caso de los objetos pensados es absolutamente a priori, es decir puro. Y la filosofía trascendental se ocupa de ambos casos. Es absolutamente discutible la idea kantiana de conocimiento puro, aquellos en los cuales no se mezcla nada empírico. Aquí no estamos reforzando esa idea, nos interesa la formulación acerca de las representaciones, sobre todo el mecanismo mental para llegar a ellas, o en palabra de Kant: el modo de conocerlas. Los modelos son eso: representaciones, donde la llamada realidad no es del todo acogida, pero tampoco es definitivamente rechazada. Mientras Kant, deja el problema de las representaciones a la metafísica y a la filosofía trascendental, la Nueva Didáctica de la Ciencia la estudia desde un horizonte ontológico relativista y a partir de ellas son posibles las construcciones sociales de conocimiento

3. Los modelos científicos Las teorías epistemologías del siglo XX (Popper, Kunh, Lakatos) soportan una versión de ciencia desde las experiencias de la física, siguiendo un ordenamiento lineal, desde las teorías, paradigmas y programas de investigación. Surge entonces una indagación, si éste esquema podría ser aplicado a todas las ciencias naturales como: la biología, la química, etc. Las ciencias cognoscitivas, cuya idea central es que los hombres producen representaciones internas de su ambiente, según Giere (1992), las teorías científicas, no son más que estas representaciones. Aseverando que las teorías científicas, se describen usando palabras escritas o símbolos matemáticos, estableciendo una diferenciación

entre las representaciones de estas y las representaciones que se hacen los hombres comunes y corrientes. De tal manera que las ciencias cognoscitivas emergen como una respuesta o apoyo a una nueva teoría de las ciencias naturales, que integre desde una mirada holística, la química, la biología, y la física. Las teorías epistemológicas del siglo XX, muestran un vacío en el momento de dar cuenta de la química, biología y de las ciencias naturales, en general. Las ciencias cognoscitivas, con su estudio de las representaciones, contribuyen con la búsqueda de la categoría epistemológica de modelo científico Giere (1992). Según Aduriz, GalaGovsky (2001) el concepto de modelo es uno de los pilares metateóricos sobre los que se edifican las ciencias naturales. Este referente tiene que ver en su argumentación de la didáctica de la ciencia como disciplina autónoma, cuyas teorías son explicables desde los modelos científicos, en esa misma perspectiva coincide Gallego (2004) cuando plantea su propia propuesta de modelo para estudio de la comunidad científica. El modelo es un mediador entre la teoría y la realidad. No es isomorfo con la realidad. Este aspecto contribuye a radicar la visión ingenua de la ciencia, es decir el objetivismo puro o copia fotográfica del contexto. Esto no significa que a cada elemento del modelo corresponde uno y sólo uno del entorno, se trata de la representación de imágenes abstractas del sistema real, y en algunos casos como el de Dalton y su teoría atómica son construcciones meramente teóricas Lombardi (2000) establece una tríada entre modelos, epistemología e historio-

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VISIÓN DE CONTEXTO


4. Puntadas Finales

4.2 En el desarrollo de las ciencias, en general, es necesario acotar, que estas no tuvieron el mismo progreso, no obstante en sus comienzos, Newton, Boyle, y Robert Hooke, bajo las influencias filosóficas de Bacon, soportaban el mismo paradigma epistemológico: la naturaleza mecánicacorpuscular del universo. Sin embargo, las experimentaciones de Lavoisier en el siglo XVIII, y sobre todo su construcción de una nueva teorización sobre el desarrollo de la química, son los embriones de las diferencias en el desarrollo de la química y la física como ciencias.

4.1 En las reconstrucciones históricas del desarrollo de las ciencias naturales se han seguido caminos diferentes, los epistemologos más preponderantes del siglo XX (Popper, Punk, Lakatos) adoptan como forma de representar la naturaleza o dialogar con ella a través de la investigación científica la categoría de teorías científicas. Toda esta experiencia, parte de la preponderancia de las investigaciones en el desarrollo de la física.

4.3 La categoría de modelo científico, por su amplitud y complejidad, encaja dentro de una generalización acerca de las representaciones de las investigaciones científicas. Y tienen cabida, no solamente las ideas geniales de Popper en cuanto: el trabajo del científico consistente en proponer y probar teorías. Sino, que da la posibilidad para que las otras ciencias, cuyo origen primigenio es diferente a la física, puedan también representarse.

grafía, como punto de vista cardinal en las investigaciones sobre didáctica de la ciencia. Se plantea, entonces, la necesidad de contextualizar los conceptos científicos dentro del marco teórico de su formulación, como también complementar la enseñanza de los contenidos disciplinares con una reflexión epistemológica acerca de la propia actividad científica, en fin, para Lombardi el papel central de la noción de modelos atenuaría la perspectivas epistemológicas e históricas acríticas.

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LA NUEVA DIDÁCTICA DE LAS CIENCIAS NATURALES Y LOS MODELOS CIENTÍFICOS

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VISIÓN DE CONTEXTO


VISIÓN BIBLIOGRÁFICA Clasificación del artículo: REVisión

LA EDUCACIÓN MATEMÁTICA: PROCESO CREATIVO COMPLEJO DE CARÁCTER SOCIAL Y CULTURAL IDEOLOGÍA Y EDUCACIÓN MATEMÁTICA El proceso de infusión ideológica

Moreno Verdejo, Antonio Javier.

Barcelona:Ediciones OCTAEDRO-EUB, ediciones universitarias de Barcelona. 2004, 173 pp. Harold Vacca González1

La relación entre ideología y educación nunca ha dejado de ser un apasionante tema de discusión en la esfera cotidiana, o en la científica. Esta tiene como antecedente el hecho de que los pensadores en las sociedades han conquistado verdades de la naturaleza concentrando sus esfuerzos en la comprensión de los objetos de la Matemática, pues ellos se imponen al pensamiento, por su carácter abstracto y objetivo.

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Licenciado en Matemáticas y Especialista en Ingeniería de Software, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. D o c e n t e Fa c u l t a d Tecnológica de la misma Universidad.

Veamos algunos escenarios: Platón, por ejemplo, sostenía que las cosas materiales son el reflejo de las ideas que se arrojan al tablero de la experiencia. Como Pitágoras, creía que la inteligibilidad del mundo material sólo era posible mediante la Matemática. Aristóteles en cambio indicaba que el conocimiento provenía del mundo material y se generaba mediado por la intuición y la abstracción; por ello la Matemática era un instrumento que ayudaba en la investigación del mundo. En la ilustración, Kant sostenía que todo conocimiento comenzaba con la VISIÓN ELECTRÓNICA

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experiencia, de modo que el conocimiento del mundo no era una representación de esa realidad externa en nuestro intelecto, sino una interpretación, una reconstrucción que hacemos tomando nuestros registros perceptuales como materia prima y sometiéndolos al influjo de esa máquina de interpretar y organizar constituida por nuestro intelecto. Hoy, enhorabuena, este texto retoma juiciosamente un análisis dialéctico de la relación categorial entre ideología y educación, expresando la unidad de sus diferencias,


LA EDUCACIÓN MATEMÁTICA

de contrarios, es decir, su unidad relativa; reflejando con mucha aproximación los complejísimos y cambiantes nexos que bien aparecen en la realidad de nuestras instituciones, en particular entendiendo que las Matemáticas y la Educación Matemática no son, respectivamente, conocimientos puros y prácticas neutras, proponiendo un nuevo conocimiento generacional. Antonio Javier Moreno Verdejo, nacido en Granada en 1966 y Doctor en Didáctica de la Matemática, desarrolla y describe en este texto la temática en siete apartados y una reflexión final: 1. La institución escolar. 2. La infusión ideológica en la educación matemática. 3. Influencia política en la educación matemática. 4. Aspectos socioculturales de la educación matemática. 5. Tecnología y educación matemática. 6. La acción de los profesionales. 7. Reflexión final. Durante este contenido, analiza transversalmente tres instituciones: la escuela, la educación matemática, y el Aula; y sus relaciones, partiendo de que ellas presentan la realidad como objetiva desde dos conceptos: la educación es un proceso esencialmente social cuyo objetivo es la integración del ciudadano en un tipo de sociedad, y la institución escolar -que existe sin depender de la intervención de los individuos pero supervive en una situación social continua- actúa como guardiana de la ideología de una sociedad… es una institución cultural.

En tal sentido, no existirá educación matemática si en el análisis de los procesos que tienen lugar en el aula no se reconocen la presencia de relaciones. Cualquier análisis de la relación entre los conocimientos socialmente construidos y su sustento ideológico resulta inválido si nos limitamos al currículo oficial. Es imprescindible reconocer los procesos que realmente ocurren en el aula, lo que se conoce como currículo oculto, y por ello es importante ligar esto a lo que se señala acerca del profesor de Matemáticas cuando sentencia: no solamente es transmisor de conocimientos, sino además es educador¡¡; ello indica que no debe abandonarse la carga emocional en la relación alumno-profesor-grupo, y agregamos, en ningún nivel de formación. El texto, entendiendo que en los procesos educativos existen tensiones cuando no se conoce o no existe un consenso compartido por todos los miembros de una institución acerca del significado de las actividades rutinarias conjuntas ( coincidencia colombiana ) ; invita a reflexionar crítica y conscientemente sobre el control institucional de tales formas de conocimiento, seleccionando unas sugestivas y pertinentes preguntas orientadoras: ¿qué conocimientos seleccionar?, ¿cómo se producen estos conocimientos?, ¿cómo se transmiten esos conocimientos en el aula?, ¿qué tipos de relaciones del aula sirven para establecer un parangón y reproducir los valores y normas incorporados en las relaciones sociales aceptadas de otros ámbitos sociales dominantes?, ¿quién tiene acceso a formas legítimas de conocimiento?, ¿a qué intereses sirve este conocimiento?, ¿cuáles son las contradicciones y tensiones sociales y políticas mediatizadas a través de formas aceptables de conocimientos y relaciones sociales dentro del aula?, ¿cómo intervienen de hecho los métodos habitua-

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VISIÓN BIBLIOGRÁFICA


les de evaluación para legitimar formas existentes de conocimiento?. Obligatorias para quienes deben asumir roles más protagónicos en los asuntos académicos. Como preámbulo al modelo de infusión, considera cinco características asociadas a la ideología: a) contiene una teoría explicativa del mundo, b) contiene un programa de organización política y social, c) acepta que este programa encuentre resistencia o lucha, d) busca persuadir y comprometer, e) confiere un liderazgo a los intelectuales encargados de vestirla de objetividad. Afirma entonces que: el sistema educativo es inseparable de un conjunto de principios que presenta una visión del mundo a través de la racionalización de la actividad de los grupos sociales. Y esta insistencia en considerar que en el ámbito educativo, todo lo que hacemos está mediado socialmente, conlleva a decir que el conocimiento matemático representa las experiencias materiales de personas que interactuaron e interactúan en entornos particulares, culturas y periodos históricos; pero dicha construcción no explica qué se transmite culturalmente y qué no. En el modelo mostrado en la figura, el currículo de matemáticas constituye un objeto adecuado para el estudio de la vinculación ideológica de la Educación matemática, pero siendo una construcción social, resulta insuficiente por sí mismo. El concepto de partida para un análisis más exhaustivo, es el de enculturación Matemática, definido por Bishop como un proceso de interacción social desarrollado dentro de un marco de conocimientos determinado pero con el objetivo de volver a crear y definir ese marco... y tiene como

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meta iniciar a los niños en las simbolizaciones, las conceptualizaciones, y en seis valores de la cultura matemática,definidos en tres dimensiones cada uno de ellos como pares complementarios: Ideológicos (racionalismo-objetivismo), Actitudinales (control-progreso), Sociológicos (aperturamisterio). Diferencia tres niveles de la cultura matemática; informal: en donde el empleo de las matemáticas es impreciso, quedando las ideas matemáticas ocultas en el contexto y los valores matemáticos anulados por consideraciones emocionales o sociales; formal: en donde las representaciones matemáticas se emplean de manera consciente y los valores aceptados y respaldados; y el técnico: donde se generan las técnicas y conceptos especializados que supuestamente representan un avance del conocimiento matemático. El texto define entonces la infusión ideológica, utilizando una bonita metáfora, como si la ideología se derramara en el transcurso de las relaciones interpersonales y en el Modelo de Infusión Ideológica, compartir del conocimiento que tiene lugar entre quienes participan en los procesos educativos, es decir, es un proceso social que basándose en un marco conceptual cuyos valores y presupuestos ideológicos son desconocidos o desarrollados de manera poco crítica, tiene como objetivo comprometer al individuo en la interpretación de las experiencias individuales y las situaciones sociales dentro de esos presupuestos ideológicos. Considera tres niveles de exploración del modelo -permeables y que mantienen unas relaciones y principios, ideas y valores, llamadas las líneas de tensión ideológica-: el de infusión curricular, donde se reflexiona


LA EDUCACIÓN MATEMÁTICA

estatal; la cultural refleja la visión de los grupos sociales dominantes; la tecnológica, como uno de los medios más influyentes en la conformación de la organización social y su evolución; y la profesional que se preocupa de dónde proviene la ideología que el profesor infunde.

Modelo de Infusión Ideológica sobre el diseño global oficial dominante que guía ideológicamente el sistema educativo, escuelas, aulas, alumnos, normas, creencias y los valores que los unen; el de infusión de la materia, que reflexiona acerca de las relaciones que dan origen al currículo de matemáticas y de su influencia ideológica en el aula y en el propio sistema educativo; el de infusión escolar, donde se engloban los procesos de implementación del currículum de matemáticas, cuyo transmisor es el profesor. Cuando no hay sintonía entre los niveles, se fractura una línea de tensión, y por lo tanto se presentan conflictos. Nos hace pensar en el contexto universitario colombiano, cuando los gremios docentes reaccionan frente al intervencionismo estatal, la intromisión política de grupos de presión en los asuntos de autonomía propias de la educación superior, o simplemente, la resistencia a normatividades que por su naturaleza profesionalizante van en contravía de la cientifización e integralidad de las carreras. Se identifican, entonces, grupos de influencia política, cultural, tecnológica y profesional. La política se relaciona con el interés

De la primera influencia, el texto concluye que, conocido el proceso de infusión ideológica y su inevitabilidad, la política participa en él contribuyendo a la elaboración del diseño curricular y en la formación y selección del profesorado. De la segunda, se retoma la cultura entendida como conjunto de conceptos en términos de los cuales una población dada actúa y piensa, y su influencia en el modelo se da en los tres niveles. En este sentido, la educación matemática debe infundir la generación de una cultura de iguales, entendiendo que es partícipe de los valores de la matemática y de los valores de la sociedad en que se desarrolla como institución cultural. De la tercera, y a propósito de la formación tecnológica y de Ingeniería, el texto redefine el sitio de la relación entre educación matemática y tecnología, plantea que se debe prestar atención a los problemas educativos que necesitan solución a través de la demanda tecnológica, y no al contrario, como lo hace generalmente el currículo y los grupos de pensamiento, es decir, reflexionando sobre lo que la tecnología puede hacer por la educación. Distingue, afortunadamente, entre medio tecnológico y proceso tecnológico (incluyendo los procesos didácticos), afirmando..sólo cuando herramientas como las calculadoras o el ordenador (medios tecnológicos) se acompañan de un patrón didáctico es posible tratarlos como recur-

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VISIÓN BIBLIOGRÁFICA


sos didácticos... toca asumir los cambios que conlleva: potencialización del trabajo cooperativo, reforzamiento del papel del alumno como investigador, descentralización del conocimiento, cambios del rol del profesor. De la cuarta, más allá de las concepciones o escuelas matemáticas emanadas de los problemas técnicos, destaca que el profesor desempeña en el modelo, una doble actividad: socializar y ser socializado. En la primera realiza actividades propias de administración de la clase pero participa en la construcción de la identidad de sus alumnos y les introduce en el conocimiento específico de los roles que surgen en la división del trabajo, en el conocimiento de los mundos objetivos. Por otra parte, la del profesor socializado, se explica por su relación con las asociaciones profesionales, los profesores expertos y los libros de texto, que aportan significados e interpretaciones de la realidad educativa por medio de las

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cuales el profesor significa su realidad. Lo interesante de lo que plantea el autor es que ambos procesos, son procesos evolutivos y continuos. Para finalizar, queda en el ambiente una exigencia monumental - utópica en todo caso - a la educación matemática, para construir una sociedad democrática comprometiendo al alumno en interpretar las situaciones sociales y las experiencias individuales dentro del contexto matemático. Y señala que para ello – esto si realizable - la educación matemática debe diseñarse para toda la población, el conocimiento debe distribuirse de modo que no suponga desigualdad de oportunidades y debe ofrecer competencias que permitan al individuo mantener sus libertades, es decir, el diseño del currículo de matemáticas debe orientarse hacia la democracia y debe desarrollarse en una sociedad democrática; asunto urgente en tiempos de creciente unanimismo que degenera en autoritarismo.


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U

na universidad moderna tiene la necesidad de dar cuenta de sus realizaciones ejemplares y, a la vez, crear una comunidad académica que influya e impacte socialmente; esto posibilita priorizar la productividad docente como indicador de calidad y de mejoramiento continuo del servicio que ofrece. La revista de carácter científico-tecnológico: Visión electrónica, es un espacio de producción escrita para la comunidad académica distrital, nacional e internacional de las áreas de Ingeniería Electrónica, comunicaciones, control e instrumentación, ciencias básicas y afines. El propósito de la revista es asumir la búsqueda, el tratamiento, la innovación y la producción de conocimiento socialmente útil. Por consiguiente, el equipo editor emite los siguientes lineamientos, a manera de reglamento, a la hora de postular artículos al Comité Editorial de la revista. La edición la realiza la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y su periodicidad será semestral.

1. De las secciones constituyentes de la revista Las siguientes son las secciones características de la publicación que definen la naturaleza de los artículos que pueden ser postulados: 1. Visión investigadora: tiene cabida el desarrollo de los temas que sean producto de investigaciones científico-tecnológicas, totales o parciales y que sean vistas desde el ejercicio de la ingeniería. 2. Visión de caso: la temática que interesa se relaciona con dar conocer la revisión o reflexión de experiencias técnicas y metodológicas que sean consideradas en un caso específico o sean vistas con respecto a casos análogos; por ejemplo: trabajos de grado inéditos y destacados, o desarrollos y aplicaciones tecnológicas específicas. 3. Visión actual: estas temáticas contribuyen a la socialización del conocimiento presentando a pares académicos y la revisión crítica de la literatura sobre un

VISIÓN ELECTRÓNICA

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tema en particular de ingeniería (estados del arte o traducciones) 4. Visión de contexto: el propósito de estos temas es la lectura particularmente realizada de los fenómenos, desarrollos o innovaciones que día tras día se identifican en el entorno y que son tratados críticamente desde las ciencias básicas y las humanidades 5. Visión bibliográfica: se reseñan nuevo material bibliográfico.

2. De los tipos de documentos aceptados 1. Artículo de investigación científica y tecnológica. Esta clase de documento debe presentar, de manera detallada, los resultados originales de proyectos de investigación. La estructura generalmente utilizada contiene cuatro apartes importantes: introducción, metodología, resultados y conclusiones. 2. Artículo de reflexión. Se presentan los resultados de la investigación desde una perspectiva analítica, interpretativa o crítica del autor, sobre un tema específico y recurriendo a fuentes originales. 3. Artículo de revisión. Documento resultado de una investigación en el que se analizan, sistematizan e integran los resultados de dicha investigación (publicada o no) de un campo en ciencia o tecnología. El fin de esta clase de artículo es poder dar cuenta de los avances y las tendencias de desarrollo. Asimismo, se caracteriza por presentar una cuidadosa revisión bibliográfica de por lo menos 50 referencias. De igual forma, podrán presentarse artículos ligados a procesos de investigación tales como:

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4. Artículo corto. Documento breve que presenta resultados originales preliminares o parciales de una investigación científica o tecnológica, que por lo general requieren de una pronta difusión (informes parciales de investigación). 5. Reporte de caso. Documento que presenta los resultados de un estudio sobre una situación particular, con el fin de dar a conocer las experiencias técnicas y metodológicas consideradas en un caso específico. Incluye una revisión sistemática comentada de la literatura sobre casos análogos, como trabajos de grado destacados, desarrollos y aplicaciones tecnológicas específicas. 6. Revisión de tema. Documento resultado de la revisión crítica de la literatura sobre un tema en particular (estados del arte). 7. Traducción. Traducciones de textos clásicos o de actualidad, o transcripciones de documentos históricos o de interés particular en el dominio de publicación de la revista.

3. Del lenguaje y estilo apropiado para la redacción de artículos 1. Se hace necesario que los artículos sean escritos para una audiencia internacional, evitando la centralización excesiva en experiencias estrictamente locales o particulares. 2. Deben emplearse estructuras de oraciones simples. 3. El vocabulario empleado debe ser básico y común. Los términos técnicos deben explicarse brevemente; asimismo, el significado de las siglas debe presentarse la primera vez que aparecen en el texto.


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4. Los autores son responsables de que su trabajo sea conducido de una manera profesional y ética.

4. De la extensión de los documentos

clara. Además, deben localizarse en el lugar más cercano de donde son citadas; y adjuntar en el cd- rom un archivo o carpeta con las imágenes en formato .tiff

• Los artículos postulados a la revista deben tener una extensión mínima de 10 páginas a doble espacio y máxima de 20.

5. Cuando los artículos incluyen ecuaciones, éstas deben ser elaboradas en un editor de ecuaciones apropiado (compatible con word).

5. Del formato de presentación

6. De la estructura del documento

1. Los documentos deben ser entregados en medio impreso y cd- rom, tamaño carta, elaborados en formato texto *.doc. Para artículos cuya procedencia sea internacional, el medio de entrega será a través del correo electrónico.

1. Para la presentación del contenido se recomienda la utilización de varios subtítulos, iniciando con uno de introducción y finalizando con otro de conclusiones.

2. La digitación debe realizarse en fuente de letra Arial 12 puntos, a doble espacio, una columna y todas las márgenes de 2 cm. 3. El título del artículo deberá ser corto o dividido en título y subtítulo, atractivo para el lector potencial y escrito en mayúscula sostenida. Después de él deberá escribirse el (los) nombre(s)completo(s) del (los) autor(es), acompañado de los datos biográficos básicos a pie de página (profesión y universidad de la cual es egresado, títulos de posgrado, lugar de trabajo) y de lo(s) correo(s) electrónico(s). 4. Todas las figuras y tablas deben realizarse en tinta negra, numerarse y titularse de manera

2. El texto del artículo debe acompañarse de un resumen en español, de máximo 150 palabras, traducido al inglés, cuatro palabras claves en español y cuatro en inglés. Las notas de pie de página deben ser solamente de carácter aclaratorio. Por ejemplo: 1 Se espera que la promulgación de estas características genere debate y discusión en los diferentes círculos docentes. De acuerdo con la normatividad de la American Pshycological Asociation (APA) la utilización de referentes bibliográficos en el texto del artículo deberá realizarse citando entre paréntesis el apellido del autor, el año de publicación del libro y la página. Por ejemplo: Estudios recientes demuestran que los aportes de la psicología conductiva han sido seriamente

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LINEAMIENTOS LINEAMIENTOS


cuestionados por expertos en el tema (Villar, 1995, p. 85). 3. Todas las referencias bibliográficas deben ordenarse alfabéticamente, al final del artículo, por el apellido del primer autor. Aquí algunos ejemplos (Lazcano, 1994): - Libro con un autor:

Browne, D. R. (1989). La experiencia de seis naciones industrializadas. Ames, Iowa: Prensa de la Universidad de estado de Iowa .

- Libro con dos autores:

Siune, K. y Truetzschler, W. (1992). Dinámica de las políticas de los media: El difundir y media electrónicos en Europa occidental. Parque de Newbury, Ca: Publicaciones Sabias.

- Autor corporativo de un libro:

Grupo de Investigación de Euromedia. (1992). Los media en Europa occidental: El manual de Euromedia (1993 que reimprime). Parque de Newbury, Caloría: Publicaciones Sabias.

- Artículo de diario con un autor: Wishnevsky, todavía media del J. (1993, mayo). Lejos de libre. Informe 2 (20 ), 86-91 de la Investigación De Rfe/rl - Un documento en un Sitio Web:

Nagle, T., Nelson, V. (1996). Análisis y diseño de circuitos lógicos figitales. México: Prentice-Hall., Extraído de la World Wide Web: http://www.avertec. com

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7. Del procedimiento de selección Considerando la periodicidad semestral de la revista, el Comité Editorial realiza dos convocatorias anuales para la recepción de artículos, aproximadamente en los meses de abril y octubre. Los artículos serán recibidos hasta la fecha máxima establecida semestralmente, siempre y cuando cumplan con todos los elementos de la lista de verificación que se presenta en el anexo. Luego de su recepción, los textos recibidos serán sometidos a la evaluación de dos pares académicos; paulatinamente se espera incorporar al proceso un mayor número de pares externos que participen en el proceso. Una vez recibidos los conceptos emitidos por los pares, el Comité Editorial toma las decisiones acerca de la prioridad de publicación de los artículos y considera la alimentación adecuada de las diferentes secciones de la revista, el espacio total disponible y la extensión de cada artículo aceptado. En algunos casos, el Comité podrá aceptar el artículo con algunas modificaciones o podrá sugerir una forma diferente de presentación u organización. En todos los casos las decisiones son notificadas en forma escrita, a manera de retroalimentación para los autores.

Referencias bibliográficas Tecnura: tecnología y cultura afirmando el conocimiento (2005). Revista institucional Facultad Tecnológica Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Material Extraído del reglamento para postulación de artículos.


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Lista de verificación

LINEAMIENTOS LINEAMIENTOS

No

El documento se presenta a doble espacio y una columna

Se emplea fuente de letra Arial 12

El documento tiene de 10 a 20 páginas

Los nombres de los autores se encuentran completos, incluyen –correos electrónicos y datos biográficos básicos

Se entrega copia impresa

Se citan como mínimo 4 palabras claves en español, también traducidas al inglés

Se entrega copia en medio magnético

Se presenta resumen en español de máximo 150 palabras

Se encuentra titulado y subtitulado

Se presenta el título en inglés escrito adecuadamente

En el caso de figuras se encuentran original en blanco y negro (Bitmat) y formato TIF de 1200 DPI

Las figuras y tablas tienen títulos y se encuentran numeradas

Imagenes e ilustraciones en escala de grises y en 300 DPI

Tablas y gráficos, archivos originales en excel

En el caso de ecuaciones se realizaron en un editor adecuado

Se incluye un subtítulo de conclusiones

Se encuentran referencias bibliográficas en el texto de acuerdo con las especificaciones

Se incluyen referencias bibliográficas completas al final del documento, de acuerdo con las especificaciones

No

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LINEAMIENTOS VISIÓN LINEAMIENTOS

VISION ELECTRÓNICA Institutional magazine of the curricular Project of Electronic Technology, Engineering in Control and Engineering in Telecommunications Technological Faculty Distrital University Francisco Jose de Caldas ISSN 1909-9746 Transversal 70B No 73A-35 South, Candelaria La Nueva; Telephone 7311540 revistavisionelectronica@gmail.com

A 1

2

Licenciada en Lenguas Modernas EspañolInglés Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Especialista en Informática para la Gestión Educativa Universidad Autónoma de Colombia. Profesora adscrita a la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y a la Universidad Pedagógica Nacional. email: lalushka1@yahoo.es Licenciada en Lenguas Modernas Español-Inglés Uni ve r s i d a d Di s t r i t a l Francisco José de Caldas. Profesora adscrita a la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y de tiempo completo a la Universidad Pedagógica Nacional. e-mail: fgarcia@ pedagogica.edu.co

Modern University to give details of its exemplary realizations and, at the same time, to build academic community that influences and impacts socially; this has facilitates to prioritize the educational productivity as indicator of quality and continuous improvement of the educational processes based in the Science and the Technology. The magazine Visión Electrónica, of scientific-technological character, is a production space written for the distrital, national and international academic community of the Electronic Engineering, of Communications, of control and instrumentation, basic sciences and similar its purpose is to assume the search paper, treatment, innovation and production of socially useful knowledge. Their publishing team, then, emits these common lineaments, by way of regulation, for the postulation of articles to the Editorial Committee of the magazine. The edition carries VISIÓN ELECTRÓNICA

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Document translated by: Claudia Araújo O.1 Francya Garcia Q.2

out it the Technological Faculty of the Distrital University Francisco José de Caldas, and it comes out once a semester.

1. Constituent sections of the magazine The following ones are the characteristic sections of the publication, which define the nature of the articles that can be postulated: • INVESTIGATING VISION: it has space the development of thematic that has been product of scientific-technological, total or partial investigation, seen from the exercise of the engineering. • VISION OF CASE: the thematic that interests is the one that gives to know the revision or reflection of technical and methodological experiences considered in a specific case, seen with regard to similar cases. (Unpublished and outstanding grade works, Developments and specific technological applications).


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• TODAY’S VISION: these thematic ones contribute to the socialization of the knowledge presenting to academic pars the critical revision of the literature about a particular topic in engineering (States of the art, Translations). • VISION OF CONTEXT: the purpose of these topics is the particularly fulfilled reading of the phenomena, developments or innovations that day after day is identified in the environment, dealt critically from the basic sciences and the humanities. • BIBLIOGRAPHICAL VISION: it is written a review of the nowadays books, commented by those who carried out the reading and analysis of the new bibliographical material.

2. Types of accepted documents 1) Article of scientific and technological investigation. Document presented, in detailed way, with the original results of investigation projects. The generally used structure contains four important parts: introduction, methodology, results and conclusions. 2) Reflection article. Document presented with the investigation results from an analytic, interpretive perspective or the author’s critic, about a specific topic, appealing to original sources. 3) Revision article. Document resulted of an investigation where the results of published investigations or not published about a field in science or technology are analyzed, systematized and integrated, with the purpose of giving details of the advances and the development ten-

dencies. It is characterized to present a careful bibliographical revision of at least 50 references. Anyway, it can be presented bound articles to such investigation processes as: 4) Short article. Brief document that presents preliminary or partial original results of a scientific or technological investigation that in general require a soon diffusion (partial report of investigation). 5) Report of case. Document that presents the results of a study about a particular situation with the purpose of giving to know the technical and methodological experiences considered in a specific case. It includes a commented systematic revision of the literature about similar cases (Outstanding grade works, Developments and specific technological applications). 6) Topic revision. Document resulted of the critical revision of the literature about a particular topic (States of the art). 7) Translation. Translations of classic texts, of nowadays, transcriptions of historical documents or particular interest in the domain of publication of the magazine.

2. Language and appropriate style for the writing of articles • It is necessary that the articles are written for an international audience, avoiding the excessive centralization in strictly local experiences or matters. • It must be used the structures of simple sentences, avoiding the too long or complex ones. • The used vocabulary must be basic and common. The technical terms must be explained shortly; likewise, the meaning of

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LINEAMIENTOS LINEAMIENTOS


the abbreviations must be presented the first time that they appear in the text. • The authors are responsible that their work is led of a professional way and ethics.

3. Extension of the documents • The articles postulated to the magazine must have a minimum extension of 10 pages to double space and maximum of 20.

4. Presentation of the format • The documents must be given in printed form and compact disk-rom, size letter, elaborated in format text *. doc.. For articles whose origin is international, the means of handing over will be through the electronic mail. • The fingering must be carried out in font of letter Arial 12 points, in double space, a column and all the margins of 2 centimeters. • The title of the article will be short or divided in title and subtitle, conspicuous for the potential reader and written in sustained capital. After, it will be written the complete name(s) of the author(s), accompanied by the basic biographical data on footnote (profession and university of which is graduated, postgraduate degree(s), working place) and electronic address(es). • All the figures and charts must be carried out in black ink, numbered and titled in a clear way. Also, they must be located in the nearest place where they are mentioned; and a file or folder must be attached in the compact disk-rom with the images in format .tiff

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• When the articles include equations, these must be elaborated in an appropriate editor of equations.

5. Structure of the document • For the presentation of the content is recommended the use of several subtitles, beginning with one of introduction and ending with another of conclusions. • The text of the article must be accompanied by a summary of maximum 150 words translated to English, four passwords in Spanish and four in English. The footnotes must only be of explanatory character. For example: 1 It is expected that the promulgation of these characteristics generates debate and discussion in the different educational circles • In accordance with the set of rules of the APA, (American Psychological Association) the use of bibliographical referents in the text of the article, it will be carried out mentioning in brackets the author’s last name, the year of publication of the book and the page. For example: Recent studies demonstrate that the contributions of the conductive psychology have been seriously questioned by experts in the topic (Villar, 1995, p. 85) • All the bibliographical references must be ordered alphabetically, at the end of the article, for the first author’s last name. Here some examples (Lazcano, 1994): - Book with an author: Browne, D. R. (1989). The experience of six industrialized nations. Ames, Iowa: Press of the University of State of Iowa.


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- Book with two authors: Siune, K. and Truetzschler, W. (1992). Dynamics of the politicians of the standard performance: diffusing and electronic standards in Western Europe. Park of Newbury, Ca: Wise Publications. - Corporate author of a book: Group of Investigation of Euro Standard (1992). The standard in Western Europe: The Manual of Euro Standard (1993 that it reprints). Park Of Newbury, Ca: Wise publications. - Newspaper article with an author: Wishnevsky, still standard of the J. (1993, May). far from free. Inform 2 (20), 86-91 Of the Investigation Of Rfe/rl

tablished in each semester, whenever they fulfill all the elements of the verification list that it is presented in the annex. After their reception, the received texts will be evaluated by two academic pars; gradually it is hoped to incorporate a bigger number of external pars that participate in the process. Once received the concepts emitted by the pars, the Editorial Committee make the decisions about the priority of publication of the articles, considering the appropriate supplying of the different sections of the magazine, the available total space and the extension of each accepted article.

- A document in a Web Site: Nagle, T., Nelson, V. (1996). Analysis and Design of Digital Logical Circuits. Mexico: Prentice-Hall., Extracted of the World Wide Web: http://www.avertec. com

In some cases the Committee will be able to accept the article with some modifications, or it will be able to suggest a different form of presentation or organization. In all the cases the decisions are notified in written form, by way of feedback for the authors of the articles.

6. Procedure of selection

Bibliographical references

Considering that the magazine comes out once a semester, the Editorial Committee carries out two annual convocations for the reception of articles, approximately in the months of April and October. The articles will be received until the maximum date es-

Tecnura: Technology and culture affirming the knowledge (2005). Institutional Magazine. Technological Faculty, Distrital University Francisco Jos茅 of Caldas, Extracted Material of the regulation for postulation of articles.

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LINEAMIENTOS LINEAMIENTOS


Check list

Yes

No

Yes

The document is presented to double space and a column

Letter font Arial12 is used

The document has from 10 to 20 pages

The names of the authors are completed; they include mails and basic biographical data.

A printed copy is handed over.

As minimum 4 passwords in Spanish are mentioned, also translated to English

A magnetic copy is handed over.

Abstract is presented in Spanish of maximum 150 words

It is subtitled

Abstract is presented in English written appropriately

The figures are in black ink (Bitmat.; TIF -1200 dpi).

The figures and charts have titles and they are numbered.

The equations were carried out in an appropriate editor (300 dpi).

A subtitle of conclusions is included.

Bibliographical references used in the text are according with the specifications

Complete bibliographical references are included at the end of the document, in accordance with the specifications.

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No


NÚMERO II VISIÓN ELECTRÓNICA