Por Chris Brown

De muchas maneras la industria agrícola lideró el camino con la ampliamente difundida aplicación de tecnología de vehículos autónomos. Autonomous Solutions Inc. (ASI) comenzó trabajando con John Deere en los EEUU en el 2000. Durante los siguientes 10 años, ASI automatizó cada vehículo de la flota Deere para una variedad de procesos agrícolas. La compañía luego se diversificó en aplicaciones para R&D militar y para la industria automotriz. En el 2006, ASI ingresó al negocio minero trabajando con Phelps Dodge (ahora Freeport McMoRan Copper & Gold), automatizando un camión de extracción y un bulldozer. La compañía ahora está trabajando con Barrick, Rio Tinto y con varias otras compañías mineras desarrollando tecnología autónoma para aplicaciones mineras.

En un periodo relativamente breve, ASI ha automatizado 50 diferentes tipos de vehículo—no 50 vehículos, 50 diferentes tipos de vehículo. La compañía sabe bien lo que se necesita para automatizar un vehículo e integrarlo a un proceso. La mayor parte del trabajo involucra aplicaciones en superficie, usando posicionamiento basado en GPS para la navegación. La compañía tiene algo de experiencia con aplicaciones de fábrica y aplicaciones subterráneas, o lo que se conoce como posicionamiento sin GPS. Ese conocimiento es útil para abordar deficiencias con el GPS.

Existen dos metodologías para introducir tecnología autónoma en el ambiente de una mina, un enfoque de gran visión todo-o-nada, donde la mina pasa de vehículos tripulados a una flota de vehículos no-tripulados totalmente automatizados en una etapa, o un enfoque moderado asistido por el usuario. El enfoque asistido por el usuario ha sido implementado con bastante éxito en la industria agrícola hace varios años. Pero antes que se tome esa decisión en una mina, un entendimiento de los vehículos autónomos, cómo funcionan y su robótica, arroja luces sobre las fortalezas y las debilidades de esta tecnología.

¿Quién está considerando la robótica? El interés parece recaer en dos grupos, que noson mutuamente excluyentes, pero el interés tiende a ser dominado uno por el otro. Muchas compañías mineras grandes están considerando la minería autónoma para mejorar la eficiencia y la productividad. Ellas tienen una visión a largo plazo y están esperando hacer una inversión para cambiar significativamente el proceso extractivo. Estas compañías mineras también pueden tener “problemas de exceso de mano de obra,” opodrían estar operando en lugares remotos o desagradables, o ambos.

Luego, también existen aquellos operadores de minas con problemas de seguridad no-rutinarios inmediatos,
tales como problemas geotécnicos. La falla de un frente alto o de una banco sería un buen ejemplo, donde a la mina
le han dicho los legisladores o el asegurador que no puede operar en cierta área y que necesita un vehículo no-tripulado para realizar el trabajo. Estas compañías tienen preocupaciones de seguridad y no estan necesariamente considerando hacer una inversión. Ellas no están esperando mejorar la productividad. Si algo esperan, esto es recibir un golpe en la productividad usando una máquina a control remoto para afrontar una circunstancia.

La automatización puede ser usada para mejorar el proceso extractivo. La tecnología podría permitir al equipo trabajar a través de descansos/cambios de turno, para mitigar los efectos del clima o la fatiga, y para eliminar errores al mejorar la exactitud y la repetibilidad. Repetir el proceso con precisión es un aspecto importante para los mineros. Los camiones de extracción podrían ser posicionados correctamente siempre (descargando y cargando). Estos viajarían a la velocidad correcta todo el tiempo. Ellos depositarían materiales en el lugar apropiado sistemáticamente. Las máquinas desgarrarían/movilizarían tanta roca como fuera posible. El sistema podría maximizar la exactitud y la velocidad de perforación del agujero.

Al ser capaces de mejorar todas las piezas del proceso, a fin de cuentas con la visión clara de una mina totalmente autónoma, los ingenieros comienzan a rediseñar la mina y a tomar un enfoque completamente nuevo.

El enfoque todo-o-nada es la metodología que actualmente abrazan los OEM. Es una opción viable que requiere una significativa inversión en una sola solución integrada de un OEM. La posible ventaja es obvia. Este enfoque funcionará mejor para minas nuevas en lugares remotos. A parte de la gran inversión, lo negativo sería los riesgos de confiabilidad aosciados a un gran cambio de proceso y de trabajar con un solo proveedor.

Los mineros también podrían optar por un enfoque incremental. Podrían comenzar con una metodología asistida-por-el-usuario antes de hacer la transición a totalmente automatizado con el tiempo. John Deere tenía una visión de todo-o-nada. Ellos iban a ir desde donde estuvieran a agricultura teledirigida en un paso. Eso no ha ocurrido en los últimos 10 años. Ensu lugar, ellos han adoptado un enfoque incremental en que introdujeron sistemas asistidos-por-el-usuario. Año a año, este tipo de sistema tomó más control de las funciones de los vehículos hasta que finalmente los agricultores tienen agricultura teledirigida.

¿Qué es un Vehículo Autónomo?
Para conocer verdaderamente en enfoque en grande como también el enfoque incremental, los usuarios deben primero percibir cómo funciona la tecnología. La mayoría de la gente tiene alguna noción poco clara de tiene algo que ver con el GPS. Mientras la tecnología en una vehículo teledirigido madura hasta un estado autónomo con un comportamiento de mirar-y-evitar, esta avanza a través de varias etapas. Comienza con control a distancia, que controla electrónicamente todos los grados de libertad en el vehículo. Los operadores tienen un controlador en sus manos y están mirando el vehículo. El siguiente nivel es la operación tele-remota, la diferencia es que los operadores no pueden ver el vehículo así que dependen de una señal de video. Para el nivel siguiente, autónomo (ciego), el GPS y un software de mapeo dan a la máquina la capacidad de ejecutar una secuencia de rutas y acciones comandadas por el usuario, pero está ciego. Si hay un obstáculo en el camino, el vehículo se estrellará contra él o sobre él en el caso de un camión de extracción. Esto sería el nivel más bajo de autonomía. Los vehículos pueden percibir su medioambiente usando una serie de sensores. La sofisticación varía desde un comportamiento ver-y-parar, donde un vehículo tiene un sensor Horizon que le dice que hay algo allí, pero no suficientes sensores como para decirle cómo pasar alrededor de esto en forma segura, para un comportamiento de ver-y-evitar.

El primer paso en la automatización de un vehículo es convertirlo a comando electrónico agregando actuadores y controles hidráulicos. Una vez que tiene su comando electrónico habilitado, los computadores pueden comunicarse con él. La mayoría de los vehículos no están equipados con controles de comando electrónico. El sistema de comando electrónico se conecta con un controlador, que actúa como el cerebro para el vehículo. El controlador está obteniendo datos desde sensores de posición, que están basados principalmente en GPS, diciéndole al vehículo donde está ubicado. También recibe datos desde sensores de detección de obstáculos (OD). Sabe dónde está y lo que hay a su alrededor. El operador usa esa información para controlar el vehículo, comunicándose con el software comando-y-control de la estación base a través de una red radial. El sistema de video opera en paralelo.

El aspecto más específico de la automatización del vehículo es el sistema de comando electrónico. Cuando ASI llega con un nuevo vehículo, los ingenieros determinan que dispositivos se usarán para controlar el vehículo. Todo lo demás—todas las otras cajas negras—siguen siendo las mismas de vehículo a vehículo. Para un ingeniero en robótica involucrado en sistemas autónomos, un vehículo de servicios no es diferente a un camión de extracción a pesar que los vehículos son de mundos diferentes en lo que a tamaño y peso se refiere. Normalmente, el conjunto de comando electrónico controla el direccionamiento, los frenos, el acelerador, la transmisión, accesorios y funciones auxiliares (bocina, luces, etc.). Recibe datos desde sistemas OEM (velocidades, RPM del motor, condición, etc.) El objetivo de diseñar un buen sistema de comando electrónico es minimizar el impacto en la plataforma base y siempre permitir a un humano tomar el control fácilmente y operar el vehículo.

La división de labor entre el software de comando-y-control y el controlador del vehículo es simple. En el lado de comando-y-control, el software recibe metas de alto nivel del usuario, por ejemplo: anda desde el punto A hasta el punto B y haz algo. Está creando un plan de ruta completo para ejecutar la meta tomando en cuenta el mapa y las capacidades de conducción del vehículo. Envía el plan ya sea todo de una vez o en segmentos simultáneamente a través de la red radial a una unidad de control del vehículo (VCU). En la VCU localmente, el controlador acepta la meta y hace toda la computación de bajo nivel para determinar cómo tiene que manipular el acelerador, el direccionamiento y la transmisión para ejecutar la meta. La VCU cierra lazos de control en el vehículo. Realiza chequeos de seguridad abordo por si hay error fuera-de-trayecto, exceso de velocidad, exceso de RPM, límites de direccionamiento, detección redundante, etc.

El GPS no es perfecto y requiere filtrado y ampliación, especialmente en ambientes duros tal como el minero. Se adapta de la mano con buenos datos de mapas. La incorporación de percepción e inteligencia al sistema mitiga la necesidad de datos de mapas y/o GPS de alta precisión. Un dispositivo de medición inercial, que calcula con un juego de seis-ejes de acelerómetros y giroscopios, le dice al sistema cómo se está moviendo el vehículo. Con odometría del vehículo, el sistema sabe la velocidad de este y el ángulo de la rueda de direccionamiento. Si pierde GPS,el sistema puede perder cobertura y no saber donde el vehículo debiera estar hasta obtenga a un nuevo punto GPS. Una variedad de otros sensores realizan tareas de similar complejidad.
Para situaciones en que no hay acceso a GPS, soluciones basadas en infraestructura, tales como reflectores y etiquetas RFID, pueden ser posicionadas a lo largo del rajo. Otra tecnología actualmente en desarrollo es el reconocimiento por visión o por láser, donde el sistema reconoce puntos destacados. El ejército está interesado en esta tecnología debido a la amenaza de que el GPS podría desaparcer.

Esa es la dirección en la que la industria se moverá hacia los sistemas robóticos teledirigidos.

Detección y Evasión de Obstáculos
ASI usa tres tipos de sensores para detección de obstáculos: laser, visión y radar. Todos ellos tienen fortalezas y debilidades. Lo que permanece igual es el software de procesamiento de detección de obstáculos, que toma los datos desde cualquier conjunto de sensores OD, les da sentido para una aplicación dada y convierte eso en un mapa transversable para el vehículo, los lugares por donde puede y no puede transitar. La selección específica de sensores depende de una variedad de factores basados en la definición. ¿Estará el vehículo buscando otros vehículos, personas o escombros en el camino? La velocidad del vehículo y la distancia hacia adelante también serían algo a considerar para fines de seguridad. Factores ambientales, tales como la lluvia, nieve, polvo y niebla también son para considerar. Los sensores son bastante caros, así que las compañías mineras querían usar los menos posibles en cada vehículo.

Desde el lado del comando-y-control, el software debiera realizar la coordinación de múltiples vehículos. El software tiene que ser capaz de tomar metas de alto-nivel desde un sistema de despacho y coordinar las actividades de múltiples vehículos para lograr esas metas. La mejor situación evita atascamientos o puntos muertos en la ruta. En vez de eso, el software asigna prioridades a los vehículos y evita que siquiera se acerquen unos a otros.

Un grupo de nuevos temas de seguridad surge a partir de la minería autónoma. ¿Permite la mina que humanos y vehículos tripulados interactúen con vehículos teledirigidos? ¿Cuán dispuesta está la máquina a confiar en el sistema OD o en el proceso de colocación de tarjetas para controlar la seguridad? Una opción es usar perímetros de seguridad basados en GPS y zonas “prohibidas”. Eso probablemente sería poco práctico para camiones de extracción que atraviesen el rajo entero sobre caminos de transporte compartidos con otros vehículos. También hay un par de niveles de medidas de seguridad incorporados en el sistema, mientras está trabajando. Tal como se dijo anteriormente, la planificación de largo plazo de la ruta para múltiples vehículos evita que se encuentren entre ellos. Si se encuentran uno con otro, el sistema pasa de un enfoque centralizado a un enfoque entre-iguales descentralizado donde los vehículos pueden finalmente verse los unos a los otros. Incluso si no se están comunicando entre ellos ni están actualizando su posición hacia un controlador central, de todas maneras pueden verse unos con otros.

Cuando el sistema no está funcionando apropiadamente por alguna razón, debe fallar de manera segura. Existen muchas características de bajo nivel que ayudan el sistema de falla-segura. Un sistema autónomo debe tener un sistema de freno de emergencia con energía almacenada independiente de un software. En caso de una pérdida completa de energía, hará que el vehículo se detenga completamente. Existen muchas señales activadoras, tales como pérdida de comunicación, error fuera-de-trayecto, y falla del sistema, lo que incluye detección redundante en los controles del vehículo.

Si se pierden las comunicaciones radiales, el botón rojo grande de la sala de control ya no funciona. En teoría, el vehículo puede correr sin comunicaciones por radio. Podría cumplir la misión completa desde el controlado general y luego lo dirige. No necesita volver a comunicarse con el controlador general otra vez. Ese probablemente no es la forma más segura de operar. Normalmente, existe algún tipo de interrupción en le vehículo si pierde comunicaciones.

Hay muchas preguntas en torno a la minería autónoma. ¿En qué punto será probada la tecnología? Existe una gran diferencia entre ver una demo y ver un sistema funcionando 24-7, 365 días al año. ¿Cómo se recuperaría una mina de una falla si no tiene operadores? La confiabilidad es obviamente un tema muy relevante. ¿Cómo sabe la mina si un sistema OD es lo suficientemente seguro? ¿Qué tipo de prueba(s) realiza? No hay estándares industriales en este punto. ¿Puede ser integrado el sistema a las operaciones existentes?

Opciones Incrementales
Trabajando con un programa asistido por el usuario, los mineros podrían avanzar hacia la visión en grande de la minería autónoma poco a poco en el tiempo.

La meta de desempeño 24-7, 365 se pondría sobre la mesa por un tiempo, pero la mina podría implementar la tecnología en las operaciones existentes y adaptar la tecnología a las flotas actuales. Los seres humanos aún están en el lazo y pueden ser integrados en forma segura a operaciones tripuladas. Algunos de los actuales sistemas asistidos-por-el-usuario para la minería incluyen soluciones de auto-posición y auto-piloto para camiones de extracción, sistemas de alerta para evitar colisiones, sistemas de control a distancia/tele-remotos con asistencia autónoma y asistencia de trayectoria de desgarramiento para bulldozers.

Muchas máquinas tales como perforadoras, palas y bulldozers, tiene GPS y herramientas de mapeo para ayudar al operador que también son herramientas que podrán ser usadas para operaciones autónomas. La próxima jugada sería cambiar hasta una tecnología de comando-electrónico y direccionamiento-electrónico. Los usuarios tendrían la capacidad de implementar auto-posicionamiento y auto-piloto. Cuando el conductor del camión se acerque a la pala y sean capaces de comunicarse unos con otros, el sistema autónomo toma el control y ejecuta el posicionamiento. De modo semejante, cuando el conductor entra a una galería de acarreo largo, el auto-piloto toma el control y mantiene una velocidad óptima. Datos de operadores de minas indican que la velocidad promedio tiende a disminuir lentamente durante el transcurso de un turno y ellos podrían teóricamente ganar un rédito medible por esa inversión.

Uno de los problemas al automatizar una flota de camiones de extracción es el número de vehículos, que representa una gran inversión. Ellos no pueden ser efectivamente aislados. Hay conjuntos de equipos que sí operan en zonas aisladas, tales como perforadoras y bulldozers. Las minas podrían comenzar automatizando múltiples vehículos teledirigidos que no tengan que interactuar con vehículos tripulados. En ciertas situaciones, tales como múltiples perforadoras trabajando sobre un patrón o múltiples bulldozers desgarrando una cancha de lixiviación, un solo operador podría supervisar dos a cinco vehículos. Eventualmente, a medida que el grupo (operadores, gerentes de producción e ingenieros) se sientan más cómodos con la tecnología y los equipos, se puede planificar en etapas en el tiempo.

Brown ha participado en el desarrollo de sistemas robóticos para aplicaciones militares, mineras, industriales y agrícolas por más de 10 años. Él actualmente es el vice presidente de desarrollo de negocios para Autonomous Solutions, una empresa de robótica con sede en Utah que se aboca principalmente a convertir vehículos comerciales a vehículos con operación autónoma. Este artículo fue adaptado a partir de una presentación que Brown hizo en la conferencia Haulage and Loading de E&MJ durante Mayo del 2011.

Edición Digital