El dron de vigilancia puede detectar intrusos con un alto nivel de precisión y en diferentes condiciones climáticas
Por Diego Sánchez
Las huacas son lugares sagrados donde las culturas prehispánicas rendían culto una gran diversidad de elementos: rocas, cerros, manantiales, cuevas, etc. Actualmente, estos tesoros arqueológicos no solo promueven el turismo interno y crecimiento económico, sino que también permiten construir un sentido de identidad y memoria histórica de la ciudad entre comunidades de migrantes y sus descendientes. Con la finalidad de preservar este importante patrimonio cultural, un grupo de estudiantes de Ingeniería Electrónica en la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP) ha desarrollado un sistema de videovigilancia que consta de un dron autónomo y una estación terrestre que integra inteligencia artificial (IA) para detectar intrusos en las zonas restringidas de la huaca El Camino Inca, una vía amurallada de 467 metros de largo que se encuentra en el sector sur del campus de la PUCP.
El dron autónomo que integra inteligencia artificial fue presentado en la feria tecnológica XpoSTEM 2024, donde se exhibieron más de 40 prototipos y más de 50 investigaciones desarrolladas por estudiantes de la Facultad de Ciencias e Ingeniería (FCI) de la PUCP. Este evento tuvo lugar el pasado miércoles 17 de julio en la sede de Open PUCP, ubicada en el quinto piso del Centro Comercial Plaza San Miguel.
En entrevista con la Agencia Andina, Juan Diego García, estudiante del décimo ciclo de Ingeniería Electrónica y miembro del equipo de investigación, explicó que la idea de su prototipo, denominado Hawkeye, surgió en las aulas universitarias como trabajo final del curso Proyecto Electrónico 2, con el objetivo de preservar el patrimonio cultural del Perú, tomando como punto de partida la huaca El Camino Inca, un valioso legado prehispánico que atesora el campus de la PUCP.
Para este propósito, el dron autónomo fue equipado con una cámara integrada y un transmisor-receptor de video. El material registrado por la cámara del dron es procesado posteriormente en una estación terrestre que integra un modelo de inteligencia artificial, el cual permite al equipo de investigación detectar a los intrusos que acceden a esta zona restringida mediante una alerta sonora enviada a la estación terrestre y mensajes de un chatbot en la aplicación Telegram.
La ruta de vuelo del dron abarca la mayor parte del perímetro de la huaca e inicia y termina en un mismo punto establecido por el equipo de investigación, el cual coincide con el momento en que su batería se consume hasta cerca del 20%. En el momento del aterrizaje, los sensores de la plataforma terrestre detectan cuándo se acopla el dron y, mediante un brazo mecánico accionado por motores de corriente continua y motores paso a paso, retira automáticamente la batería descargada, la deposita en un almacén de baterías, y la reemplaza por una pila totalmente cargada para que pueda reiniciar su ruta de vuelo.
En esta fase inicial de desarrollo, el objetivo principal del sistema de vigilancia es evitar el deterioro del patrimonio cultural de la huaca El Camino Inca y asegurar su conservación para las generaciones venideras. Para ello, se realiza un sondeo constante de su perímetro, principalmente en la zona aledaña a la losa deportiva de la Facultad de Ingeniería de Minas, donde se reúne a diario una gran cantidad de estudiantes que practican futsal, básquet o vóley.
«En cualquier momento, por ejemplo, una pelota puede caer en la huaca y una persona tendrá que ingresar. Ante ello, este sistema de videovigilancia detectaría a la persona que está tratando de ingresar a la huaca y emitiría una señal de alerta. Nuestro objetivo es conservar el patrimonio cultural de la huaca para las futuras generaciones», declaró García.
A la fecha, la duración máxima de la batería del dron le permite un tiempo de vuelo de 10 minutos. Una vez transcurrido ese lapso, el dron retorna a la plataforma de aterrizaje, donde se ensambla con su contraparte gracias al diseño de especial de la carcasa de su batería, ubicada en la parte inferior del tren de aterrizaje. Entretanto, el brazo robótico reemplaza automáticamente su batería por una nueva, sin necesidad de la intervención de un operario humano.
Los componentes principales de la placa de esta plataforma de aterrizaje son los drivers de los motores paso a paso, un puente H del motor DC y el cerebro del prototipo: un microcontrolador que se encarga de procesar constantemente los datos transmitidos por los sensores ultrasonido y las galgas extensiométricas, que indican el momento exacto de aterrizaje del dron.
Los drivers de los motores paso a paso son actuadores que pueden transformar la señal de pulso en una señal de desplazamiento angular y están diseñados para controlar motores con corriente por fase de hasta 8.0 amperios (A). En tanto, el puente H es un circuito integrado utilizado en robótica que permite controlar el avance, retroceso y sentido de giro de un motor de corriente continua.
Al momento de reemplazar la batería, el dron genera, a nivel interno, una ley de control para accionar los motores que levantarán el brazo mecánico. «Hay otro motor que también está siendo controlado por esta placa», indicó García. «Posteriormente, este sistema enviará una señal a la estación terrestre para que el dron pueda reiniciar su ruta de vuelo».
Durante la operación de monitoreo, la plataforma de aterrizaje del dron es alimentada con energía eléctrica a través de un enchufe. «Básicamente, se contempla una fuente conmutada para pasar de la tensión TR a la tensión necesaria para cada uno de los componentes», explicó García.
Ventajas y limitaciones del dron
El prototipo de dron autónomo fue fabricado con impresión 3D a partir de un diseño de código abierto disponible en Internet, que contiene una guía de fabricación con todos sus planos y componentes electrónicos. El modelo de Hawkeye fue elegido en virtud de los requerimientos de la ruta de vuelo trazada por el equipo de investigación, así como su capacidad de adaptación a las condiciones del terreno y su fácil programación.
Para la fabricación de las patas de extensión del tren de aterrizaje se utilizó ácido poliláctico (PLA), un material de origen vegetal y fácil de imprimir que se ha convertido en uno de los más populares para la impresión 3D de escritorio. Se trata del filamento por defecto elegido para la mayoría de las impresoras 3D basadas en extrusión porque puede imprimirse a baja temperatura y no requiere una cama calentada.
Este bioplástico se caracteriza por su dureza, resistencia al impacto, rigidez, elasticidad, buena adherencia a la superficie de impresión, y gran resistencia a la torsión. También es inodoro y se obtiene de recursos renovables y naturales, por lo que su uso supone un menor impacto ambiental en comparación con otros materiales de impresión 3D. Este material, según García, fue elegido «porque posee la dureza suficiente para amortiguar el peso de todo el dispositivo».
Aplicaciones de la inteligencia artificial
En cuanto a su diseño general, el dron dispone de cuatro motores con sus respectivas hélices que generan una dinámica de movimiento que permiten su elevación y desplazamiento en el aire. Asimismo, posee una cámara de seguridad especializada para trabajos al aire libre que se acopla fácilmente al dron.
La grabación del video y el procesamiento de la información obtenida se realiza en tiempo real. «Capturamos el video y luego lo procesamos en la estación terrestre mediante técnicas de inteligencia artificial. Ahora, por ejemplo, estamos entrenando un modelo que utiliza YOLOv8 para segmentar la imagen y detectar a las personas que se encuentren dentro de este encuadre», explicó García.
El algoritmo You Look Only Once (YOLO) versión 8 es la última iteración de la serie Ultralytics YOLO, diseñada para mejorar el rendimiento de la detección de objetos en tiempo real con funciones avanzadas. Esta red convolucional predice simultáneamente múltiples cuadros delimitadores y probabilidades de clase para cada uno, para lo cual analiza las características de toda la imagen.
Entre los componentes internos del dron, destacan una computadora principal de libre uso que se encarga de recibir todas las señales emitidas tanto por el GPS como el sistema de enlace de datos inalámbrico Datalink, con la finalidad de generar el movimiento necesario que permita el correcto desplazamiento del dron.
Otro componente interno clave es el GPS diferencial o DGPS, que incrementa la precisión del GPS ordinario mediante diversas técnicas que involucran la revisión de las constelaciones para aumentar la precisión del posicionamiento del GPS ordinario.
Un modelo de IA altamente eficaz
En las pruebas de validación realizadas en el campus de la PUCP, el modelo de inteligencia artificial de la estación terrestre demostró un nivel de eficacia muy alto para detectar exclusivamente a personas en las áreas de monitoreo. Este nivel, según García, «se encuentra en un 90%, dado que el modelo fue entrenado con un gran volumen de videos grabados con la cámara integrada. Por lo tanto, hemos generado nuestro banco de pruebas y estamos determinando cuáles son los objetos que queremos detectar».
En los videos procesados por las computadoras de la estación terrestre, cada persona que aparece en el encuadre es etiquetada con diferentes códigos que el equipo de investigación emplea posteriormente para seguir entrenando su modelo de IA. No obstante, en casos extremos como aglomeración de personas, el estudiante reconoció que este modelo podría presentar ligeras fallas o limitaciones, aunque estimó que, en el peor de los casos, la eficacia no debería bajar del 80%.
Para mejorar este aspecto, García subrayó la importancia de seguir entrenando a su dispositivo con más grabaciones realizadas en ambientes extremos donde haya una gran aglomeración de personas. Otro aspecto crucial que se debe mejorar es el tiempo de intercambio de batería, que, a la fecha, es de aproximadamente un minuto y medio. Para asegurar un monitoreo continuo, indicó que debería reducir este tiempo a un minuto o 45 segundos.
Una apuesta a futuro por la seguridad
El dron autónomo funciona con un sistema de Datalink que permite la comunicación entre este dispositivo y la estación terrestre. Sin embargo, en condiciones climáticas adversas como una densa neblina o intensas garúas (muy frecuentes en el invierno limeño), la línea de visión entre la estación terrestre y el dron se pueden ver seriamente distorsionadas. Por ello, García indicó que no es recomendable volar el dron en estas condiciones, pues se puede dañar la estructura del dispositivo y sus componentes electrónicos internos. En su lugar, el dron solo debe volar con el cielo despejado y un clima preferiblemente seco.
Para superar estas limitaciones, el equipo de investigación planea, a corto plazo, realizar más pruebas de entrenamiento al aire libre para mejorar el diseño y la estructura interna tanto de la estación terrestre como la del dron. Una vez perfeccionado el prototipo, solicitarán una invención de patente ante el Indecopi con miras a escalar su producción y posterior comercialización como un complemento tecnológico importante para las estrategias de seguridad ciudadana en varios distritos y/o zonas restringidas de Lima.
Por otro lado, para sortear las limitaciones de presupuesto y el difícil acceso a los componentes, los estudiantes de Ingeniería Electrónica no descartan participar en concursos tecnológicos nacionales a fin de recaudar los fondos necesarios para seguir invirtiendo en el desarrollo de su prototipo.
Preservación de un tesoro arqueológico
El Camino Inca es una vía amurallada de 467 metros que se encuentra en el sector sur del campus de la PUCP, en el distrito limeño de San Miguel. Fue construido durante la época Ychsma (1100 d.C. – 1532 d.C.) e integrado al sistema vial de caminos Inca (1450 d.C. – 1532 d.C.), conocido como Qhapaq Ñan.
Este tramo de camino, según investigaciones arqueológicas, sirvió como conexión entre el Complejo Arqueológico Mateo Salado e importantes sitios del Complejo Arqueológico Maranga ubicados dentro del Parque de las Leyendas. Ambos complejos arqueológicos fueron grandes espacios administrativos y ceremoniales que han resistido al crecimiento urbano. Actualmente, se desarrollan proyectos de investigación, difusión, conservación y puesta en valor, además de contar con recorridos para visitarlos.
De acuerdo con el arqueólogo peruano Luis del Carpio, este tramo de camino inca dentro de la PUCP tiene paredes de hasta cuatro metros de altura, fabricados con bloques de adobón y un relleno de abobes pequeños y piedras del río (cantos rodados) que sirvieron para darle estabilidad estructural. A lo largo de su recorrido, no se registran ni entradas ni salidas, por lo que pudo haber sido reservado para los miembros de las élites durante peregrinaciones.
En la feria tecnológica se promueve el uso de espacios de trabajo colaborativo, laboratorios, inteligencia artificial, realidad virtual y manufactura digital, entre otras tecnologías.
Fuente: Agencia Andina
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