REVISTA

JUVENTUD Y CIENCIA SOLIDARIA:

En el camino de la investigación

Prototipo de sistema de frenado

inteligente para vehículos monitoreado

con IoT para minimizar accidentes o

emergencias en carreteras

Benjamín Azanza Díaz, Ariel Nicolas Bravo Jurado,

David Alejandro Cruz Palacios, Daniel Alejandro Urbina Artega

Mi nombre es Benjamín Azanza Mi nombres es Ariel Nicolas Bravo Díaz, tengo 17 años y estudio el 3ero de Jurado, tengo 18 años y estudio el 3ero BACH en el Colegio Técnico Salesiano de BACH en el Colegio Técnico Salesiano

Don Bosco. Me gusta jugar en el PC, salir Don Bosco. Me gusta resolver puzles,

de fiesta y programar. Quiero estudiar hacer bicicleta y nadar. Quiero estudiar

Ingeniería en Software en la universidad. una carrera referente a la electrónica y

programación.

Mi nombre es David Alejandro Cruz Daniel Alejandro Urbina Artega, Palacios, tengo 17 años y estudio el 3ero de tengo 18 años y esttudio el 3ero de BACH

BACH BGU en el Colegio Técnico Salesiano BGU en el Colegio Técnico Salesiano

Don Bosco. Me gusta jugar a videojuegos, Don Bosco. Me gusta la lectura y jugar

programar y la tecnología. Quiero estudiar videojuegos. Quiero estudiar Ingeniería en

Ingeniería en Software en la universidad. sistemas en la universidad.

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18 Juventud y Ciencia Solidaria

Resumen

Este proyecto consiste en el diseño de un prototipo Adicionalmente, se recopilarán y analizarán datos de frenado automático que realiza sus funciones para reducir la gravedad de los accidentes al disminuir leyendo sensores electrónicos, estudiando los factores la velocidad del vehículo antes del impacto. El al-de movimiento del entorno, y el estado de los bombeos cance del proyecto incluye el diseño, implementación por minuto (BPM) del usuario. En primera instancia, y selección de componentes electrónicos, así como el se van a leer los datos obtenidos de los sensores de desarrollo de algoritmos y programación necesarios distancia, revoluciones por minuto (RPM) y BPM, para el funcionamiento correcto del sistema para que el sistema pueda detectar si el usuario se

encuentra apto para conducir. Estos sensores estarán

ubicados de manera estratégica para acercarse lo más IoT

posible a los valores de la realidad, el momento en el Engloba mucho más que las computadoras portátiles cual el conductor se encuentra en el vehículo. y los teléfonos inteligentes: casi cualquier cosa con un Luego de obtener las primeras lecturas de los sensores, interruptor de encendido y apagado puede potencial-el algoritmo generado interpretará la información y mente conectarse a Internet, lo que la convierte en actuará en consecuencia a ello. Cuando esto suceda, parte de la IoT [3]. Por ejemplo, una “cosa” en la el prototipo seleccionará alguno de los 2 tipos de fre-Internet de las cosas podría ser una persona con un nado disponibles; freno de emergencia o de servicio. implante de monitorización cardíaca [4, 5] . En la Fig.

Adicionalmente, también se dispone del sistema an-1 se presenta un esquema básico del funcionamiento tibloqueo de frenos (ABS). del IoT.

El sistema contiene un microcontrolador con gran

disponibilidad de entradas. Estos valores serán mostra-

dos al usuario mediante el uso de IoT (Internet de las

cosas), siendo este capaz de observar las mediciones

del sistema en tiempo real.

Se concluirá comprobando la eficiencia del prototipo

creado en simulaciones reales por separado en un

vehículo a escala, por lo que no se usarán entornos

digitales para comprobar el funcionamiento, sino que

todo se hará de forma física.

Palabras clave: frenado automático, Arduino, BPM,

RPM, ABS, IoT, sensores electrónicos.

Explicación del tema Figura 1. Funcionamiento del IoT

Fuente: [3]

Se va a diseñar e implementar un sistema de frenado

automático con IoT en un vehículo a escala, en una

maqueta de un automóvil hecha a un tamaño reducido, Sistemas de frenos para en un futuro buscar mejorar la seguridad vial al detectar y evitar colisiones. Se monitorearán en tiempo Existen varios tipos de frenos para automóviles, cada real las condiciones del entorno del vehículo y se ac-uno con sus propias características y ventajas. A con-tivará el frenado automáticamente en situaciones de tinuación, se presentan los frenos que se utilizarán en riesgo [1, 2]. el desarrollo del proyecto.

En el camino de la investigación 19

Freno de mano

Según la revista Car And Driver, “El freno de emer-

gencia es un dispositivo mecánico que se utiliza para

mantener el vehículo en su lugar cuando está esta-

cionado” [6]. El freno de emergencia se activa mediante

una palanca ubicada en el habitáculo del vehículo, que

está conectada a un sistema de cables que se extienden

hasta los frenos traseros [7]. Al tirar de la palanca, se Figura 3. Sistema freno de sistema aprietan las pastillas de freno traseras contra los discos Fuente: [6]

para detener el movimiento del vehículo [8, 9]. En la

Fig. 2 se muestra un esquema del sistema presente en 0.0.1. Freno ABS el freno de mano para su funcionamiento.

Según el sitio web de HowStuffWorks, “El sistema de

frenos ABS evita que las ruedas se bloqueen al fre-

nar, lo que ayuda a mantener el control del vehículo

en situaciones de emergencia” [12] . El ABS funciona

mediante la medición de la velocidad de las ruedas

y la aplicación de los frenos de manera intermitente

para evitar el bloqueo de las ruedas [13, 14, 15]. En

la Fig. 4 visualizamos un diagrama explicativo del

funcionamiento del ABS.

Figura 2. Sistema de frenado Fuente: [6]

Freno de disco

Según la revista Car and Driver, “Los frenos de disco

se componen de un disco de freno, que es una placa

metálica que gira con la rueda, y una pinza, que se

ajusta contra el disco de freno para detener la rueda”

[6] . Cuando se aplica la presión de frenado, las pasti- Figura 4. Freno de ABS

llas de freno se presionan contra el disco de freno, lo Fuente: [12]

que detiene la rueda. Los frenos de disco proporcio-

nan una excelente capacidad de frenado y son menos Node-RED propensos a sufrir fatiga que los frenos de tambor [10, 11]. En la Fig. 3 localizamos un esquema del sistema Herramienta de programación visual que permite a presente en el freno de disco para su funcionamiento. los usuarios crear aplicaciones de Internet de las cosas 20 Juventud y Ciencia Solidaria

(IoT) de manera intuitiva y sin necesidad de escribir que permite a los usuarios conectar y programar dis-código. Node-RED se integra con una amplia variedad positivos IoT de manera sencilla y eficiente” [16]. En de dispositivos IoT, incluidos los dispositivos Arduino. la Fig. 5 encontramos una de la interfaz de desarrollo Según palabras de Nick O’Leary, creador de Node-de Node-RED.

RED, esta “es una herramienta de programación visual

Figura 5. Interfaz de Node-RED

Fuente: [16]

Freeboard ingeniero de software de Adobe, “Freeboard.io es una herramienta excelente para crear paneles de control

Freeboard.io es una plataforma en línea que permite a para dispositivos IoT” [17]. Los usuarios pueden conec-los usuarios crear paneles de control interactivos para tar sus dispositivos Arduino a Freeboard.io y crear sus dispositivos IoT. La plataforma se integra con una paneles de control interactivos en cuestión de minu-amplia variedad de dispositivos IoT, incluidos los dis-tos [18, 19]. En la Fig. 6 encontramos un ejemplo de positivos Arduino. Según palabras de Steve Loughran, dashboard diseñada en Freeboard.

Figura 6. Interfaz de Freeboard Fuente: [15]

Dashboard tipos de gráficas u otras visualizaciones de datos al espectador y reduce el esfuerzo manual [17]. El

Herramienta personalizable de visualización de datos, seguimiento en tiempo real de este tipo de datos re-que te ayuda a conectar tus archivos, servicios, API o duce las horas de análisis y las largas líneas de comu-archivos adjuntos, y muestra estos datos como tablas, En el camino de la investigación 21

nicación que antes suponían un reto para las empresas. un dashboard.

La Fig. 7 hace referencia a la interfaz ejemplificada de

Figura 7. Interfaz de una Dashboard Fuente: [17]

Arduino teractivos y autónomos. Según Sedra Smith, Arduino es "una herramienta para crear prototipos electróni-

Es una plataforma de hardware libre y de código cos basados en software y hardware flexibles y fáciles abierto basada en microcontroladores, que permite de usar" [20]. En la Fig. 8 presentamos hardware y a los usuarios desarrollar y programar proyectos in-software diseñado por Arduino.

Figura 8. Hardware y software de Arduino Fuente: [21]

22 Juventud y Ciencia Solidaria

Sensor de ritmo cardiaco Diagrama de bloques del sistema

Según el sitio web oficial de Arduino, “El sensor de El prototipo funciona de la siguiente manera: Se abre ritmo cardíaco para Arduino es un dispositivo que se NODE-RED y Freeboard en el computador, y se utiliza para medir la frecuencia cardíaca de una per-conecta al microcontrolador mediante el cable serial.

sona” [22]. El sensor se coloca en la punta del dedo A su vez, el microcontrolador se conecta a un Shield, y mide la cantidad de luz que se refleja en la sangre que logra una mejor presentación y ayuda a ordenar mientras el corazón late [23]. Visualizamos, en la Fig. los distintos cables. De este Shield es que se derivan 9, el sensor de ritmo cardiaco presente en el prototipo. el resto de sensores y actuadores del prototipo, siendo todos controlados por un switch para habilitar el modo

automático o el modo manual, según corresponda. El

L298 es el único que se encuentra conectado a una

fuente de 12V DC, esto para lograr que se muevan

todos los motores a velocidad visible. A continuación,

en la Fig. 10, observamos una imagen a detalle del

diagrama de bloques ya explicado.

Figura 9. Sensor de ritmo cardiaco para Arduino Fuente: [20]

Figura 10. Diagrama de bloques general del sistema Fuente: Autores

Diagrama de nodos de programación en node En la configuración de nodos en el entorno de Node red Red como se aprecia en la Fig.11, se encuentran im-

plementados varios nodos para el control manual y

automático del automóvil. Cada nodo manual está

asignado a un dato específico representado por una

letra. Esto permite enviar directamente el dato desde

el dashboard hacia el Arduino, lo cual controla los leds,

motores y también la slider. En la segunda imagen,

se pueden observar los nodos que controlan la parte

automática del automóvil.

Figura 11. Diagrama de nodos general Fuente: Autores

En el camino de la investigación 23

Figura 12. Diagrama de Nodos para Dashboard Fuente: Autores

Estos nodos envían datos hacia el Freeboard, y tienen su propio nombre, como se puede observar en cada entrada de datos está controlada por una función la Fig. 12, lo cual asegura una correcta transmisión de con un nombre asignado en el string del Arduino. Los los datos hacia el Freeboard.

nombres de las vías de datos hasta el servidor también

Ensamblaje del vehículo

Figura 13. Proceso de montaje general Fuente: Autores

24 Juventud y Ciencia Solidaria

La Fig. 13 muestra el montaje de cuatro motores Enlace con Freeboard y el Dashboard de Node-

y sus correspondientes ruedas en la parte inferior del Red

chasís, junto con la implementación de diversos sen-

Se muestran dos ejemplos de enlaces entre Freeboard

sores y drivers para los motores. En la parte superior

y el Dashboard de Node-Red. En el primer caso, se

del chasís, se colocó el microcontrolador junto con su

integra el proyecto con un Arduino MEGA y se visual-

respectivo shield mientras que en la carcasa del pro-

izan las mediciones en tiempo real utilizando widgets

totipo se disponen las luces y el interruptor. Además,

interactivos en Freeboard. En el segundo ejemplo, un

se realiza la instalación de las conexiones de acuerdo

impresionante Dashboard desarrollado en Node-Red

con la programación y se ajustan al chasís para ase-

controla dispositivos IoT, recolectando datos ambien-

gurar un funcionamiento adecuado del sistema en su

tales y presentándolos mediante gráficas y controles

conjunto.

deslizantes personalizados. En la Fig.14 encontramos

las interfaces desarrolladas en ambas webs.

Figura 14. Interfaces Freeboard y Dashboard Fuente: Autores

Prototipo final

En este apartado observamos la primera versión sea más presentable, pero el funcionamiento seguía funcional del prototipo, posteriormente se agregaron siendo el mismo. En la Fig. 15 se detalla el estado del elementos netamente decorativos para que el proyecto proyecto en ese momento.

Figura 15. Resultado del prototipo final Fuente: Autores

En el camino de la investigación 25

Pruebas y resultados

Figura 16. Funcionamiento y registro en Freeboard Fuente: Autores

En la Fig.16 se visualizan las medidas en tiempo coder mediante la plataforma de Freeboard, con lo real de los sensores ultrasónicos, el sensor PIR y las que se cumple con la medición de los parámetros del revoluciones por minuto (RPM) enviados por el en-prototipo para usarlos en los frenos del vehículo.

Figura 17. Medidas del ritmo cardiaco en tiempo real a través de la plataforma Freeboard Fuente: Autores

Por último, en la Fig.17 se observa las medidas del mado se accionan los frenos ABS y las direccionales del ritmo cardiaco del prototipo desde la plataforma Free-vehículo completando la maniobra del freno inteligente board en conjunto con el funcionamiento de los frenos, propuesto.

al tener un ritmo cardiaco por debajo del límite progra-

26 Juventud y Ciencia Solidaria

Conclusiones portar los problemas que se nos presenten, logrando llegar a ser profesionales honestos ante la sociedad y el

• La implementación de una interrupción por pin mundo laboral. Finalmente, y en reconocimiento a todo en el sistema de frenado automático, junto con el lo que han hecho los profesores por nosotros, deseamos uso de señales PWM y el shield L298, ha logrado expresar nuestro agradecimiento por su ardua labor en una detección precisa y oportuna de las señales nuestra educación y enriquecimiento de conocimiento.

del encoder, mejorando significativamente el con-Por último, también agradecemos a la vida por haber-trol, monitoreo y rendimiento del frenado, garan-nos unido como integrantes de este grupo, formando tizando así una mayor seguridad en el sistema una unidad tan funcional.

del vehículo a escala.

• El encoder desempeña un papel fundamental en Referencias

nuestro proyecto, al ser el mecanismo primario [1] S. Anbalagan, P. Srividya, B. Thilaksurya, S. G.

para detectar posibles accidentes y proporcionar Senthivel, G. Suganeshwari, y G. Raja, «Vision-información crucial para el funcionamiento del Based Ingenious Lane Departure Warning System prototipo. La configuración de pines, la captura for Autonomous Vehicles», Sustainability, vol. 15, y transmisión de datos a través del IoT, así como n.o 4, Art. n.o 4, ene. 2023, doi: la obtención precisa de mediciones, dependen 10.3390/su15043535.

en gran medida de las lecturas del Encoder. Su [2] A. Ziębiński, R. Cupek, D. Grzechca, y L.

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Esto mejora la seguridad y proporciona un con- M. Krichen, y K. Barkaoui, «Urban Traffic Moni- toring and Modeling System: An IoT Solution for trol más preciso en situaciones de conducción vación o desactivación del frenado automático. [5] R. Jabbar, M. Shinoy, M. Kharbeche, K. Al-Khalifa, potencialmente peligrosas. Enhancing Road Safety», en 2019 International

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Primeramente, agradecemos a los padres de familia [6] CAR AND DRIVER, «Ken Block prueba

por darnos la oportunidad de estudiar y adquirir los el nuevo freno de mano electrónico del Focus conocimientos necesarios para desarrollar este proyecto. RS», Car and Driver. [En línea]. Disponible en: Agradecemos a la institución por permitirnos formar https://shorturl.at/yMR03

parte de una comunidad salesiana que lleva consigo [7] W. Shi, M. B. Alawieh, X. Li, y H. Yu, «Algo-los valores cristianos inculcados por San Juan Bosco y rithm and hardware implementation for visual María Auxiliadora. A nuestros docentes, que nos han perception system in autonomous vehicle: A sur-formado como verdaderos estudiantes técnicos, nos han vey», Integration, vol. 59, pp. 148-156, sep. 2017, ayudado a enfrentar nuestras responsabilidades sin im- doi: 10.1016/j.vlsi.2017.07.007.

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