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Este documento explora el uso de drones en la detección y desactivación de campos minados, particularmente en Colombia, donde el problema sigue siendo una grave preocupación para la seguridad humana y animal. Se analizan diferentes tecnologías utilizadas en este campo, como IoT, sensores, radares y sistemas embebidos Arduino. Se presentan casos de uso exitosos en agricultura y se discuten los desafíos y beneficios de utilizar drones en este contexto.
Tipo: Apuntes
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Las minas antipersonales son armas las cuales a través de un arduo trabajo del Comité Internacional de la Cruz Roja (CICR), varias ONG’s y algunos gobiernos, quedaron prohibidas; sin embargo, siguen matando y mutilaciones a muchas personas alrededor del mundo debido a que, aunque hayan terminado los conflictos siguen enterradas durante muchos años causando daño mayormente a civiles. Se calcula que en la actualidad puede haber alrededor de 100 millones de minas terrestres en más de 60 países de cuatro continentes. Las personas heridas por minas antipersonales generalmente necesitaran asistencia médica por el resto de su vida. La Convención obliga a los estados a la asistencia de las víctimas y ha otorgado un plazo de 10 años para que los países limpien sus territorios, tarea qué ha sido bastante dispendioso pero necesaria. El avance de los últimos años en tecnologías de radar y de sensores de detección nos permite hacer uso de las mismas en una causa humanitaria y qué para ser realizada por el hombre es muy peligro. Las técnicas utilizadas para limpiar las minas son lentas, peligrosas y requieren de mucha mano de obra qué muchas veces son difíciles de llevar a cabo en países qué no cuentan con los recursos adecuados. Por lo anterior en este módulo de aplicación de las tecnologías a la vida diaria y a la solución de problemas, optamos por el diseño de un Dron de última generación qué a través de sensores, radares y un sistema embebido Arduino permita la detección de minas antipersonales
Investigar la implementación de Drones (Objetos voladores no tripulados) que puedan detectar campos minados. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
En la actualidad Colombia todavía continua con los estragos de violencia, todavía continua sin detectarse varios campos minados los cuales ocasionan pérdidas de vidas tanto humanas como de animales, los departamentos más afectados según SWI swissinfo.ch - unidad empresarial de la sociedad suiza de radio y televisión SRG SSR el año pasado el de 389 víctimas el 77% se registraron en cinco departamentos: Norte de Santander (80), Nariño (78), Antioquia (64), Cauca (50), Valle del Cauca (27). De los afectados, 226 eran civiles, 152 de las fuerzas de seguridad del Estado y 11 pertenecían a grupos armados ilegales. "La mayoría de las víctimas son civiles, principalmente población campesina, que, mientras realizaban labores cotidianas como cultivar, buscar agua, o transitar por las veredas, tropezaron con estos artefactos", detalló el CICR. [ CITATION swi21 \l 2058 ] Al analizar esta situación, de concluye que es sumamente importante detectar este tipo de artefactos implementado nuevas tecnologías y de esta manera evitar la trágica muerte o accidentes fatales causado por las minas antipersonas, evitando así también que la exposición para la detección de estas sea la de un ser vivo. Entre las tecnologías que se pretende investigar esta la IoT Internet de las cosas, la cual permite la interconexión de objetos con internet, entre ellos tenemos los Drones. Según la publicación DroneCom '20: Actas del segundo taller de ACM MobiCom sobre comunicaciones inalámbricas asistidas por drones para 5G y más allá Septiembre de 2020, el creciente número de vehículos aéreos no tripulados (UAV), generalmente denominados drones, plantea nuevos desafíos sobre cómo administrar sus operaciones en varios casos de uso de Internet de las cosas (IoT), como vigilancia y monitoreo, predicción del clima, agricultura, etc. Este último incluye una gran cantidad de dispositivos que a veces producen mensajes no válidos debido a la falta de energía o al apagado del sistema y necesitan ser monitoreados de manera autónoma con drones en áreas rurales. En este documento, desarrollamos una plataforma basada en blockchain para administrar las operaciones de IoT con drones mientras mantenemos la confianza y la seguridad. El banco de pruebas consta de dispositivos IoT, un dron y pasarelas habilitadas para blockchain a través de las cuales se controlan los drones para reemplazar los dispositivos que funcionan mal. Estos últimos se detectan mediante el algoritmo de observación Z-score que lanza un contrato inteligente y envía el dron con un orden de operación claro. Los resultados obtenidos en un caso de uso de agricultura realista resaltan la utilidad de nuestra propuesta en disminuir el tiempo de señalización y operación, mejorar el porcentaje de operaciones de mantenimiento exitosas y brindar confianza y seguridad al manejar drones de manera autónoma. [ CITATION Dro20 \l 2058 ]
Entre los artículos encontrados que hacen relación a la utilización de drones para la detección de minas antipersona está el Detección autónoma de eventos maliciosos mediante Modelos de aprendizaje automático en redes de drones por Nour Moustafa La Universidad de Nueva Gales del Sur en ADFACanberra, ACT, Australia. “Los drones comprenden una infraestructura compleja como aeronaves pilotadas, pero sin operadores, todavía necesitan un control de seguridad confiable. Control para hacer valer sus operaciones seguras. Este trabajo propone un esquema autónomo de detección de intrusos para descubrir anuncios ciberataques avanzados y sofisticados que explotan drones redes. Se configuró un banco de pruebas para ejecutar eventos contra una red de drones para recopilar información legítima y observaciones maliciosas y evaluar el desempeño de aprendizaje automático en tiempo real. Algoritmos de aprendizaje automático, incluyendo árbol de decisión, vecinos k-más cercanos, Bayes ingenuo, Soporta máquina de vectores y aprendizaje profundo de múltiples capas. ceptron, fueron capacitados y evaluados utilizando la recopilación de datos ciones, con resultados prometedores en términos de precisión de detección, tasas de falsas alarmas y tiempos de procesamiento. IDS basado tiene varios inconvenientes para ser la detección eficaz metodología en los sistemas de aviación actuales, debido a diversas razones. En primer lugar, la gran cantidad de sensores incluidos en vehículos aéreos no tripulados que generan una gran cantidad de datos, los llamados Big Data, que requieren un análisis profundo para generar sospechas reglas. En segundo lugar, estos sensores son heterogéneos según a su función, donde son responsables de especificar los UAVvelocidad, monitorización, seguimiento y comunicaciones de red, y están controlados por un sistema API autónomo. Aunque la importancia de las aplicaciones de los drones, varios deben abordarse los desafíos. Primero, los drones sufren uso compartido de espectro dedicado para conectarse con la nube y el perímetro sistemas informáticos, esto hace un gran retraso para transferir datos a través de las redes y aumentar las posibilidades de corromper los UAV 'recursos computacionales sobre sistemas de red. Segundo, la eficiencia energética de la implementación de drones en sistemas de red temes es limitado, esto podría causar daños catastróficos cuando los drones no pueden ejecutar sus tareas. En tercer lugar, la comunicación con drones en ocasiones introduce gastos generales al diseño potencial de drones, junto con redes a gran escala y asegurando sus nodos. El aspecto de seguridad de los drones controlados a través de la red. conexiones es el enfoque clave de este estudio. ” [ CITATION Dav16 \l 2058 ] Entrando al tema de drones para desminar esta la investigación realizada por David Mayorga Perdomo 28 noviembre de 2015 “¿Cómo nosotros, desde la ingeniería, podemos desarrollar metodologías y tecnologías que aporten en la detección y el desminado humanitario sin que se exponga la vida
Figura 1. Estructura física de UAV’s[ CITATION Dan18 \l 2058 ] Energy Supply: por lo general, los UAV’s de tamaño pequeño utilizan baterías Li-Po, mientras que otros dones de mayor tamaño utilizan las ingenierías convencionales usadas en aviones. Computing: el hardware utilizado por los vehículos aéreos no tripulados es conocido como como “Flight controller” (FC), “Flight controller board” (FCB), o autopiloto. Sensors: sensores de posición, de movimiento, de distancia, sensores que proporcionan información sobre el estado interno del dron, etc. Dentro de esta categoría se incluyen otros sensores específicos, como pueden ser las cámaras utilizadas en el reconocimiento por imágenes, los sensores electromagnéticos para detección de minas, … Actuators: desde controles digitales de velocidad, hasta LED’s o armas. Software: son sistemas de tiempo real que requieren de respuestas rápidas, se usan desde Raspberry Pis, hasta otros procesadores o sistemas diseñados especialmente para controlar drones. Los drones utilizan por lo general estructuras de control en bucle. En 2011 la organización “Find a Better Way” se unió a la Universidad de Bristol para desarrollar drones equipados con tecnología de imágenes hiperespectrales, un tipo de captura de imágenes espectrales capaces de recoger información de espectro electromagnético de la zona fotografiada. Esta tecnología permitía la localización de zonas con restos químicos absorbidos por plantas, etc., causando anomalías en la zona que ayudarían a conocer la localización de minas enterradas. Así, se obtenía un mapeado de la zona con las minas detectadas, facilitando la labor de los trabajadores encargados de su neutralización. Otro ejemplo de los usos de drones para desminado se observa en la competición “Drones for Good” de 2015, donde una compañía española llamada CATUAV fue finalista con un dron equipado con sensores ópticos utilizado para escanear zonas minadas de Bosnia Herzegovina. En este proyecto se busca la realización de un software capaz de detectar, de manera fiable, minas superficiales de un tamaño de 10x10x10 cm y de color negro. Estas minas se situarán sobre una zona herbácea con pocos obstáculos, y podrán ser divisadas desde una posición vertical. Así, la
detección será llevada a cabo mediante el procesamiento de información visual obtenida por una cámara situada en un dron que se moverá de forma autónoma conforme el código determine. Para procesar esta información se utilizará la librería de visión artificial “OpenCV”, se programará en C++, y posteriormente se introducirá este código en ROS Sistema operativo robótico. El software se dividirá en dos procesos iniciales, y posteriormente estos procesos se unificarán para obtener una solución conjunta. Figura 2. Estructura del proceso de detección de minas[ CITATION Dan18 \l 2058 ] Detección por SVM+HOG Se diseñará un programa para obtener ROI’s de minas a partir de imágenes y videos. Este mismo programa se encargará de compatibilizar estas imágenes de ROI’s con el formato necesario. Una vez creada la base de datos, se desarrolla un programa para entrenar un detector de tipo HOG+SVM utilizando la base de datos creada. Finalmente, se obtendrán en forma de rectángulos las detecciones hechas. 25 Detección por color El primer paso de este proceso consistirá en convertir la imagen obtenida por cámara a distintos espacios de color. Mediante una función de thresholding se convertirán las imágenes a tipo binario, adjudicando al color negro un valor “0” (blanco) y al resto de colores un valor “1” (negro), y se reducirá el ruido mediante algoritmos de suavizado. Una vez obtenida la imagen binaria pre- procesada, se detectarán los bordes con un algoritmo de Canny, y posteriormente se almacenarán los distintos contornos detectados como color negro. Para finalizar, se hallarán los centros de estos contornos. Detección final Mediante una lógica que compruebe la superposición de las dos detecciones detalladas anteriormente, se decidirá de forma final si el objeto detectado es una mina o no. El resultado será utilizado en la competición “Minesweeper: Towards a Landmine-free world” que tendrá lugar en Madrid del 2 al 5 de octubre de 2018.” El documento anterior es un proyecto muy completo en el cual informan sobre el software que utilizaron y las pruebas realizadas.
Rango del Spectro. Tomada de How Does Thermal Imaging Work?. (2021). Retrieved 1 June 2021 Estos detectores crean con la información obtenida lo que se conoce como un termo grama, ese se traduce en impulsos eléctricos que son enviados a una unidad de procesamiento de señales. Las cámaras térmicas pueden llegar a pesar de 2 a 3 kg y puede incluir en ella un chip GPS que cuando se captura el termograma de la superficie del suelo se envía junto con la localización GPS. Imagen térmica tomada desde un dron. Tomada de Drones, cámaras infrarrojas e IA se unen a la búsqueda de minas, 16 de junio de 2020, ICRC, https://blogs.icrc.org/inspired/2020/06/16/drones-infrared-cameras- mines/ Una anomalía térmica puede ser el resultado del calentamiento de una mina por el calor del sol o su enfriamiento más rápido que el sueldo en el que se encuentra, aunque también puede ser cualquier otro tipo de material inofensivo.
Para complementar este sistema de detección existen los radares de detección Radares de detección Para detectar objetos enterrados existen los radares de penetración terrestre (GPS por sus siglas en inglés), estos dispositivos emplean ondas electromagnéticas a través del suelo, las cuales son reflejadas por los objetos enterrados. Esquema básico funcionamiento del GRP. Tomado de Harvey Sierra, enero 2017, Análisis de la detección de minas mediante la técnica GPR "Ground Penetrating Radar", Universidad de Los Andes Para mejorar la resolución del radar y poder distinguir entre objetos captados, es necesario el uso de un pulso electromagnético mucho más angosto en el tiempo lo que implica una ampliación en el ancho de banda de la señal; esto supone el uso de antenas de ultra banda ancha y el uso de algoritmos complejos que puedan resolver las ecuaciones de Maxwell con técnicas basadas en el tiempo como la FDTD (diferencias finitas en el dominio del tiempo). Con el fin de hacer ese análisis más complejo es necesario enviar los datos recopilados por los sensores a un centro de procesamiento que pueda procesar la información. Para tal fin el dron posee una unidad de procesamiento que toma los datos y los transmite. iii. Unidad de procesamiento
iv. Módulo de comunicaciones El proyecto requerirá que los drones puedan operar a gran distancia de la base de operaciones, esto con el fin de que los drones puedan desplazarse en sin límites y también proteger la vida de los operadores al evitar que estén cerca del área minada. Por tal motivo se optó por usar una conexión a internet usando GPRS (servicio general de paquetes vía radio), es un sistema intermedio entre el GSM y el UMTS que permite una navegación por internet a 114 kbps, usando las bandas de 850/ 90 / 1900 MHz. El dispositivo que nos permite esta conexión es el módulo SIM900 el cual es fácilmente controlado por placas como el Arduino Uno. Este módulo soporta comandos AT por seriar UART, permitiendo enviar y recibir SMS, realizar llamadas y por supuesto la conexión a internet. Este módulo necesita una tarjeta SIM de algún operador de telefonía móvil y por supuesto un plan de datos para poder navegar. Modulo SIM900. Tomado SIM900 datasheet Ahora que hemos abordado los temas de los sensores y elementos de procesado de información y transmisión de datos; debemos tener en cuenta el dispositivo que nos ayudara a la toma de los datos y es el dron UAV. VII. Dron UAV
Este vehículo aéreo no tripulado será guiado autónomamente por la central dándole la información que necesita para poder volar. Estos vehículos se clasifican por el tipo de ala, ya sea fija o rotatoria. Estos últimos es del tipo que se usará para el proyecto por la estabilidad que se necesita para tomar los datos del terreno. Dron de ala rotatoria. Tomado de Todos los tipos de drones según el uso, diseño o control. (2021). Retrieved 1 June 2021, from https://www.adslzone.net/reportajes/drones/tipos-drones/ Los drones de ala rotatoria a su vez se clasificación por el número de motores que tenga el dron: Tricópteros: 3 motores Cuadricópteros: 4 motores Hexacópteros: 6 motores Octacópteros: 8 motores Estos son drones que permiten un despegue y un aterrizaje vertical, por lo que dan una gran versatilidad en sus usos.
La investigación que hemos realizado fue tomada de varias fuentes entre ellas la del portal www.accioncontraminas.gov.co [ CITATION Ofi21 \l 2058 ]la cual fue creado por el gobierno nacional para centralizar toda la información generada, esto incluye investigación, Historial , acciones tomadas por el gobierno para enfrentar este problema, avances y más. Con este sitio inicia nuestra investigación para tomar los datos más relevantes y enfocar nuestra atención en las variables más destacadas, por ejemplo, podemos ver que los 5 municipios con mayor número de víctimas de 1990 a la fecha han sido Vista hermosa (Meta) con 370 víctimas, Tumaco (Nariño) con 350, Tame (Arauca) con 348 víctimas, Tarazá (Antioquia) con 271, y San Vicente del Caguán (Caquetá) con 267 víctimas. Dado estos acontecimientos históricos nos damos cuenta lo fuerte que ha sido golpeada nuestra sociedad colombiana, pues en pleno siglo 21 seguimos teniendo esta problemática y el desminado de forma manual ha tomado más de lo planeado.
Incluir acá el trabajo de análisis previo, esquemáticos y cálculos realizados para poder realizar el proyecto (Entregas 2 y 3).
Incluir en esta sección las diferentes simulaciones que permitan la verificación de los diseños planteados.
Las minas terrestres son armas que ponen en riesgo a millones de personas en el planeta y qué causan miles de muertes y de mutilaciones principalmente a la población civil y vulnerable. Los gobiernos se han comprometido con la Convención para la erradicación y limpieza de los territorios para qué sean zonas libres de minas. El trabajo de desminado es una tarea lenta y peligrosa qué requiere mucha mano de obra. Se calcula qué sin apoyo de la tecnología la detección y remoción total de todas las minas terrestres en todo el mundo llevaría más de 1000 años. En la actualidad contamos con tecnologías que nos permiten la construcción de un sistema tipo DRON el cuál con una unidad de procesamiento basado en Arduino,
unas cámaras termográficas y unos radares terrestres permitirá realizar la tarea de detección y limpieza de minas terrestres en menor tiempo y con mayor seguridad. El uso de Drones para las tareas de desminado reduce considerablemente el tiempo de limpieza de los territorios y salva miles de vidas. Aunque hay qué hacer inversiones en su fabricación son mucho más económicos que los costos qué conlleva toda la mano de obra qué se requiere en la actualidad lo cuál es un alivio para los países generalmente de bajos recursos qué son los que tienen más minas en sus territorios. Unos cálculos iniciales estiman que usando de forma generalizada los Drones para las tareas de detección y limpieza, se podría erradicar en alrededor de 15 años todas las minas del planeta.
CITATION swi21 \l 2058 : , (swissinfo.ch, 2021), CITATION Dro20 \l 2058 : , (DroneCom 20, 2020), CITATION Dav16 \l 2058 : , (Perdomo, 2016), CITATION Dan18 \l 2058 : , (Delgado, 2018), CITATION Dan18 \l 2058 : , (Delgado, 2018), CITATION Ofi21 \l 2058 : , (Oficina del alto mocionado, 2021),
