Tecno-Tapas

¿Qué sabes de robótica?

A continuación os dejo un enlace donde puedes acceder a un juego tipo “¿Quien quiere ser millonario?” en el que me pidieron colaboración.

Esta pensado para estudiantes de tecnología de la ESO, (Bueno, en realidad no estoy seguro de en que asignatura se da este tipo de contenidos) pero también sirve para introducir unos conceptos básicos sobre robótica o inteligencia artificial de una manera amena. Espero que os pueda ser de utilidad.

Imagen del juego

Imagen del juego

http://proyectodescartes.org/escenas-aux/jug-10×10/50×15-fich.html

Por último dar las gracias a Santos Mondéjar por hacerme participe de este tipo de iniciativas.

¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi

Invisibilidad Do-It-Yourself

Quizá estás últimas semanas os haya llegado la noticia del desarrollo de una invisibilidad para longitudes de onda del visible, vamos para nuestros ojillos. La he llegado a ver en el telediario de Antena 3. Realizaban este truco con un método simple y utilizando sólo cuatro lentes. La noticia en español la podéis leer muy bien explicada aquí:

Un atajo con lentes para conseguir la invisibilidad

El problema es que a mi me parece que llamar a esto invisibilidad es cómo etiquetar a un Fiat 600 rojo como “Ferrari F40 urbano”. Vamos, un pelín pretencioso.

El truco  (sí es un truco) que hacen en la universidad de Rochester, es utilizar 4 lentes convergentes para poder dirigir los haces de luz de forma que haya zonas entre las lentes en las que se pueden introducir objetos que quedarán escondidos a la vista. Siempre que estés situado a la salida y en línea con las lentes. Tiene cierto margen de maniobra dependiendo del tamaño de dichas lentes.

Intentaré explicar esto un poquillo mejor ya que se trata de óptica geométrica, y con un par de esquemas se puede entender fácilmente.

Una lente convergente es aquella que dirige los haces de luz que vienen del infinito (entiéndase infinito como algo que está lo suficientemente lejos) hacia un punto llamado foco. En este foco será donde se concentren los haces de luz, es algo similar a lo que hacemos con una lupa (lente convergente) cuando concentramos la luz del Sol en un punto para poder prender fuego a una hojilla de papel. En la novela “El señor de los moscas” utilizan las gafas de un niño que no veía bien de cerca para encender una hoguera. En realidad, en la novela es un niño miope, pero con las gafas de un miope no se pueden concentrar los rayos del sol ya que son lentes divergentes. En el siguiente gráfico vemos cómo se representa esto:

Trazado de rayos de una lente convergente

Lente convergente concentrando la luz en el foco “f”

Lo importante de este gráfico es que al desviar los rayos de luz hay zonas detrás de la lente por donde la luz no pasa. Si hubiese una forma de reconducir los rayos de luz para que siguiesen la misma trayectoria que llevaban de origen, se podría colocar un objeto en la zona por donde no pasa la luz. Al no incidir la luz sobre el objeto, éste estaría oculto a alguien que mirase a través de las lentes. Y dado que los rayos de luz siguen la misma trayectoria inicial, nosotros no notaríamos que los rayos de luz han sido modificados.

Como hemos dicho las lentes convergentes concentran los haces de luz que vienen del infinito en el foco, pues bien, si los rayos de luz provienen del foco la lente convergente los mandará al infinito, así que si colocamos una lente con la misma distancia focal a la distancia correcta para que coincida con la distancia focal de la lente anterior, los rayos de luz se volverán a enviar por la trayectoria que venían. En el siguiente gráfico se muestra ésta configuración:

Zona de invisibilidad entre dos lentes convergentes.

Zona de invisibilidad entre dos lentes convergentes.

En la figura hay una zona (zona gris) donde podríamos colocar un objeto y no se vería cuando se mira a través de las lentes. ¡Bonito truco! ¿Verdad? Pues algo parecido es lo que han hecho los de la noticia que comenté al principio. El siguiente esquema es el utilizado por los investigadores de la universidad de Rochester:

Invisibilidad con 4 lentes

Invisibilidad con 4 lentes

En (c) se muestra cómo consiguen una zona donde se puede esconder cualquier objeto, siempre que no se obstruya el centro de la línea de propagación de la luz. Utilizando 4 lentes consiguen una zona de “invisibilidad” más alargada. Invisibilidad lo pongo entre comillas porque ya digo que me parece un poco pretencioso.

En la siguiente imagen se ve en el laboratorio cómo queda el trazado de rayos:

Trazado de rayos de las 4 lentes.

Trazado de rayos de las 4 lentes.

Sin embargo el vídeo del efecto es muy curioso y espectacular, siempre que estés colocado en el buen sitio:

Invisibilidad con 4 lentes.

Invisibilidad con 4 lentes.

Y ahora que sabéis cómo funciona esto ¿no pensáis que se puede hacer esto mismo con sólo 2 lentes? La respuesta es sí, y para eso aquí tenéis un vídeo grabado en un momentico:

Bonito ¿no? Bueno, la verdad es que el trabajo realizado en la Universidad de Rochester tiene algo más de mérito, ya que desarrollan la óptica geométrica mediante matrices de Jones para calcular las relaciones que deben existir con las distancias focales de las lentes para conseguir el efecto deseado. Y mi vídeo tiene truco, ¿os habéis dado cuenta? la clave está en la segunda figura de este post. Y que si no habéis adivinado ya, os la desvelo en la siguiente imagen:

Invisibilidad con 2 lentes.

Invisibilidad con 2 lentes, pero invierte la imagen

Efectivamente, la imagen a la salida del sistema se invierte, conseguimos una zona de “escondite” pero la imagen a través de las lentes está invertida, como he usado una rejilla no se aprecia, pero con un fondo asimétrico notaríamos este efecto, por eso se necesitan 4 lentes, para que las lentes interiores vuelvan a invertir la imagen y quedarnos como estábamos.

Estos investigadores de Rochester hace tiempo también hablaron de invisibilidad con sistemas de bajo coste. Eran también truquillos de óptica geométrica. Puedes leer sobre esto aquí. Pero si queréis leer algo sobre invisibilidad de verdad, con metamateriales y tecnologías más avanzadas podéis leer:

Dispositivos de invisibilidad

¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi

Por cierto esta entrada participa en la Edición LVII del Carnaval de la Física del Carnaval de la Física, cuyo anfitrión es el blog Divulgación.

Referencias:

Joseph S. Choi, John C. Howell. Paraxial Ray Optics Cloaking (PDF)

Dime cómo vibras y te diré quien eres

Últimamente te habrás dado cuenta que prácticamente todas las páginas web que visitas te piden permiso para poner una cookie en tu ordenador. Estas cookies sirven, o pueden servir, para identificarte y saber qué artículos has leído, cuales son tus intereses, y de esta forma hacer tu experiencia en dicha página más agradable. Aunque claro, también puede servir para que los anunciantes te presenten productos que te puedan interesar. El uso de cookies es el mecanismo más usado para rastrear usuarios y los gustos de estos. En el ordenador podemos deshabilitar el uso de cookies y dejaríamos de estar localizables, pero ¿qué pasa con los smartphones? Pues pasa, que se pueden seguir rastreandonos utilizando los sensores incorporados. Investigadores han encontrado una forma de identificar unívocamente tu smartphone mediante el acelerómetro incorporado en todos los teléfonos actuales.

Lo que oyes, se ha encontrado una forma de explotar la respuesta de los acelerómetros para identificar a los teléfonos y con ello a los usuarios. Un acelerómetro es un pequeño chip que incorporan los smartphone para poder saber la orientación del teléfono o cómo se está moviendo.

En el siguiente vídeo explican cómo funciona un acelerómetro (tiene subtítulos en castellano):

Cómo se describe en el vídeo, un acelerómetro es pequeño chip donde se ha micromecanizado una pieza que al moverse cambia ligeramente el valor de los condensadores. De esta forma se puede detectar hacia donde se mueve el dispositivo.

Arquitectura de un acelerómetro

Arquitectura de un acelerómetro

 

Las pequeñas imperfecciones y ligeras diferencias entre estos dispositivos pueden provocar respuestas ligeramente diferentes. Estas diferencias se pueden utilizar para identificar el chip, con el añadido de que las aplicaciones que se instalan nunca piden permiso para acceder a estos sensores, y en el caso de que lo pidiesen tampoco sería sospechoso de que esto se utilice para identificarte. Hasta ahora.

Para realizar el experimento se aplicó un patrón de vibración con el típico motorcillo para provocar las vibraciones a acelerómetros comerciales y se media su respuesta. En la siguiente gráfica vemos la suma de los tres canales del acelerómetro (x, y, z) en función del tiempo.

Suma de los valores eficaces en función del tiempo.

Suma de los valores eficaces en función del tiempo.

Como vemos de estos seis acelerómetros tienen respuestas ligeramente distintas, pero de ahí a decir que son distinguibles va un trecho. Claramente podemos distinguir el E y el F entre ellos y de los demás, pero el A y el B son muy parecidos como lo son el C y el D. Para poder distinguirlos entre sí, habrá que medir otras características, así por ejemplo los investigadores midieron la desviación estándar y la media de la amplitud de la medida anterior y lo graficaron en un plano. Obteniendo lo siguiente:

Media en función de la desviación estándar.

Media en función de la desviación estándar.

Para obtener la gráfica anterior se realizan las medidas varias veces, y se mide el valor medio de la amplitud así como la desviación estándar, y se coloca un punto por cada medida, como vemos en la gráfica los acelerómetros se van ordenando en una especie de conjuntos con los que se hacen más distinguibles entre ellos, aún así vemos que hay cierto solapamiento entre C y D y entre A y B, pero ya estamos más cerca de distinguirlos.

Pero para poder distinguirlos del todo podemos introducir otros parámetros cómo la “tendencia a la desviación” (Skewness) que mide la tendencia a desviarse las medidas hacia un lado u otro de la media. En la siguiente gráfica se muestra esta tendencia en función del número de experimento, donde claramente se distinguen definitivamente el acelerómetro C del D.

Tendencia a la desviación en función del experimento.

Tendencia a la desviación en función del experimento.

Podríamos pensar que con solo estas tres características no será suficiente para distinguir un gran número de acelerómetros (parece que nos costó mucho distinguirlos y solo hemos hablado de seis diferentes). Lo que se tendrá que hacer es seleccionar un buen número de características que podamos medir de estos acelerómetros, para poder distinguir un mayor número.

Hay que tener en cuenta que los experimentos se han hecho tanto con acelerómetros aislados, como con acelerómetros montados en teléfonos. El montaje en el teléfono, así como la geometría de este, puede que aumente el número de diferencias siendo más sencilla su clasificación y distinción. Aunque por otro lado donde esté apoyado el teléfono o incluso la forma de sujetarlo puede cambiar la respuesta complicando la identificación. Sin embargo se podría aumentar el número de sensores involucrados.

Los investigadores utilizaron 8 características basadas en la variación temporal, y 10 características basadas en el dominio de la frecuencia. Con este número de características consiguieron distinguir 80 acelerómetros aislados, 25 incorporados en dispositivos Android y 2 tablets.

Creo que es claro que la capacidad de distinguir los teléfonos es posible, y además utilizando unas características de las que pocos sospecharíamos. Sin embargo aún quedan dificultades por salvar, ya que son millones los que habría que distinguir (aunque no es descabellado agruparlos geográficamente para disminuir el número de teléfonos a estudiar). Pero también está el problema de ejecutar un procesado previo en el teléfono, o procesarlo todo en la nube. Desde luego a mi me parece mejor aproximación hacerlo en la nube, ya que sobrecargar el teléfono podría llevar a sospechas por parte del usuario.

Por último solamente quería comentar que no quiero meter miedo a nadie con esto, simplemente existe la posibilidad, la verdad es que me parece demasiado elaborado para que a los interesados en realizar un seguimiento se lo planteen, simplemente me pareció curioso el uso que se le puede dar a estos datos o señales que continuamente generan nuestros teléfonos.

¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi

Referencias:

AccelPrint: Imperfections of Accelerometers Make Smartphones Trackable [pdf]

¿Cómo es posible el cine en 3-D?

¿Te has preguntado alguna vez cómo funciona el cine en 3-D? Parece ser que Marc Clotet sí que lo ha hecho. Está pregunta forma parte de un concurso que han organizado en el ICFO (Instituto de Ciencias Fotónicas, no lo puedo evitar pero este nombre siempre me recuerda al centro de investigación del Dr. Kabuto 😉 ). En este concurso había que responder con un vídeo de 3 minutos donde se explicase el concepto correspondiente, hay otras preguntas, pero yo me decidí a contestar esta.

En esta entrada intentaré presentar algún detalle más que en el vídeo no pude explicar, y de paso aprovecho para pediros que si os gusta le deis al “Me gusta” en YouTube, porqué también habrá un premio para el más “pesao” de las redes sociales 😉

Para poner en contexto os dejo con el vídeo donde Marc Clotet plantea la duda:

Como veis Marc se pregunta cómo es posible que con unas gafas cuyos cristales aparentemente no tienen diferencia es posible distinguir dos imágenes, en el siguiente vídeo le doy mi respuesta, y detrás del vídeo comentaré algún detalle más, y además os propongo algún experimento muy sencillo.

En 3 minutos no se puede explicar mucho, pero espero haber comentado lo más general (3 minutos que dura el vídeo, si se te ha hecho largo lo siento, pero es por culpa de los títulos y los créditos ;-), además no tiene música porque no se pueden infringir derechos y no quería arriesgarme)

A continuación algunas cosillas más en forma de preguntas y respuestas que creo complementan el vídeo.

¿Cómo se puede grabar una película en 3-D?

Se ha explicado cómo se puede ver una película, pero ¿y la grabación? La respuesta es obvia, se graba con 2 cámaras separadas por un cierto espacio, como la que se muestra en la siguiente imagen.

Cámara capaz de grabar películas en 3-D

Como ves tiene dos lentes, que llevarán a dos sistemas de grabación paralelos, que grabarán la misma imagen pero ligeramente desplazada. Después se podrán reproducir haciéndolas llegar al ojo correspondiente.

Si somos capaces de apreciar la distancia de los objetos es porqué realizamos una triangulación, es más, este sistema se puede utilizar en robótica, o en visión artificial para calcular distancias a objetos. Si conocemos la separación entre las cámaras y podemos calcular los ángulos que forma cada una con un objeto, podemos tener una medida de la distancia. Lo realmente complicado aquí es el reconocimiento de imágenes que se tiene que hacer para identificar el objeto en las dos imágenes.

Hay un sistema que utiliza este principio y que está muy extendido, incluso es posible que tengas uno en tu casa: el Kinect de Microsoft.

El Kinect consta de dos cámaras que utiliza para calcular distancias a objetos, para facilitar el reconocimiento utiliza una luz estructurada, pero en el rango de los infrarrojos, con lo que para nosotros es invisible. Una luz estructurada no es otra cosa que mandar un patrón, una especie de rejilla, de forma que es más fácil situarse dentro de la imagen y detectar que estamos viendo el mismo objeto con las dos cámaras.

¿Realmente es fácil generar luz polarizada circular girando a izquierdas y a derechas?

El el vídeo comento que es muy fácil generar luz polarizada circular girando en cada uno de los sentidos, aunque ya hablamos de esto en este blog en la entrada “Viendo la televisión 3-D con tu mascota” comentaré algo que tú mismo podrás comprobar la próxima vez que vayas a ver una película en 3-D.

La luz polarizada circular se produce cuando las componentes del campo eléctrico están desfasadas 90º una con respecto a la otra. Si no estuviesen desfasadas y las dos componentes se mueven al unísono hablaríamos de polarización lineal. Con cualquier otro desfase entre 0º y 90º la curva descrita sería una elipse. Como se dice en el vídeo también puede que gire hacía la izquierda (levógira) o hacía la derecha (dextrógira).

Para conseguir un desfase de 90º se utilizan láminas retardadoras, estas láminas consisten en un material que tiene distinto índice de refracción según la orientación. ¿Y esto que significa? El índice de refracción está relacionado con la velocidad de la luz cuando se propaga por dicho material, de esta forma cuando el campo eléctrico coincida con la orientación donde la luz se mueve más rápido se adelantará, y si coincide con la orientación donde va más lento se retrasará, produciéndose un desfase entre las dos componentes.

En el siguiente vídeo se visualiza lo explicado anteriormente:

Así que ya te puedes imaginar cómo se genera la luz polarizada circular, bastará con incidir con una luz polarizada lineal a una de estas láminas que desfasan las componentes del campo eléctrico, y elegir esta lámina para que el desfase que introduzca sea de 90º. Pues bien esto es lo que hacen las gafas que nos dejan en los cines 3-D. Constan de un polarizador lineal y una lámina retardadora orientadas entre si a 45º en un ojo y a -45º en el otro. De esta forma tendremos luz polarizada circular levógira en un ojo y luz polarizada circular dextrógira en el otro.

El mismo sistema vale tanto para generar luz polarizada circular como para detectarla. Para generar tendremos que hacer pasar la luz primero por el polarizador lineal y después por la lámina, y para detectarla al revés.

Por eso aquí te propongo un experimento que puedes hacer con tus gafas de ver películas en 3-D. Ponte las gafas y colócate frente a un espejo, mirándote fijamente a los ojos cierra alternativamente uno u otro. Verás que se oscurecen los cristales alternativamente. Divertido ¿no?  Las gafas en la dirección desde tus ojos al espejo polarizan la luz circularmente, y desde es el espejo a tus ojo la detectan (bloqueando la que no gira en el sentido que quiere cada cristal).

¿Y las televisiones en 3-D?

Las televisiones 3-D funcionan exactamente igual, pero en este caso es aún más sencillo.

Casi todas las pantallas planas actuales utilizan dispositivos de cristal líquido. (LCD, Liquid Crystal Display). Para formar la imagen cada pixel está formado por un polarizador lineal a la entrada y un polarizador lineal a la salida. Entre estos dos polarizadores se coloca una celda de cristal líquido que podríamos asimilar a una lámina retardadora que retarda más o menos en función de la tensión eléctrica que le apliquemos. De esta forma podremos hacer coincidir la orientación del polarizador de entrada con el de la salida, con lo que veremos un pixel brillante, o hacer que la polarización sea totalmente cruzada a la de la salida con lo que veremos un pixel negro. Y por supuesto en medio hay una amplia gama de grises. Quien dice grises dice niveles de rojo, azul o verde para tener televisores en color 😉

Lo primero que se deduce de esto es que la luz que proviene de nuestras pantallas LCD está polarizada linealmente, así que podéis hacer un experimento si tenéis una gafas de sol polarizadas. Si miráis vuestro móvil con unas gafas de sol polarizadas podréis observar que hay una orientación en que no podéis ver la pantalla, ya que la orientación de la polarización de salida de la pantalla y la de vuestras gafas serán perpendiculares.

También podréis hacer la prueba con las gafas de ver el cine en 3-D, pero tendréis que darles la vuelta (con la patilla hacia delante) ya que tendremos que enfrentar el polarizador lineal antes que la lámina retardadora.

Hemos visto que a la salida de nuestra televisión tenemos ya luz polarizada lineal. Solo nos queda polarizarla circularmente. Como hemos explicado antes solamente tendremos que añadir una capa más a la televisión que sea una lámina retardadora. Para tener la posibilidad de dos imágenes, lo que se hace es alternar la líneas de píxeles con una lámina orientada a 45º en una fila y en la siguiente a -45º. Así podremos emitir dos imágenes distintas en la misma pantalla y cada una estará polarizada como debe. (Patente de LG que utiliza este principio). Fácil ¿no?

A alguien se le podría ocurrir que bastaría con que las líneas de píxeles estuviesen polarizados linealmente uno en vertical y otro en horizontal, y poner en las gafas polarizadores lineales orientados de esta misma forma. Y tendría razón. Así también se podría ver el cine en 3-D o la televisión. Pero no podrías inclinar la cabeza ni un poco ya que se te mezclarían las imágenes o incluso las podrías intercambiar si te tumbas en el sofá a ver la peli. 😉

Aunque la entrada me ha quedado un poco técnica me gustaría que participará en el Quincuagésimo Primer Carnaval de Física (Abril de 2014) alojado en del Carnaval de la Física cuyo blog anfitrión es ::ZTFNews.”, dedicada al April Fools’ day. Aunque nada de lo que cuento es una broma, haciendo el vídeo me he echado unas risas.

¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi

 

 

 

 

Rosetta está despierta, en camino y navegando como los antiguos marineros.

La noticia de la semana es que Rosetta ha despertado. Esta sonda enviada por la E.S.A. pretende orbitar y hacer aterrizar otra pequeña sonda que la acompaña en un cometa. Algo que parece ciencia ficción. Mucho se estuvo hablando sobre la comunicación con Rosetta una vez despierta después de 31 meses en “stand-by”.

Prácticamente ya se ha dicho todo, basta con consultar, cómo no, a nuestro divulgador astronómico de cabecera Daniel Marín y su fantástica entrada “Rosetta se ha despertado: historia de un explorador de cometas“. En esta entrada se hace un resumen de la misión y unos cuantos apuntes técnicos sobre los instrumentos de abordo. Pero a mí me ha llamado mucho la atención el hecho de que las maniobras para ponerse en orbita alrededor del cometa vayan a ser autónomas. Y me gustaría saber qué instrumento permite la orientación de la sonda, y cómo lo hace. Resulta que la navegación autónoma se realiza cómo los antiguos marineros, guiandose por las estrellas, con la ventaja de que en el espacio no se nubla nunca, o casi nunca.

Pero antes os dejaré con una animación de los hitos conseguidos hasta ahora por la misión en forma de cuento para niños.

Que la maniobra para ponerse en orbita sea autónoma es obligado debido al retraso en las comunicaciones entre la sonda y un posible guiado desde tierra. El sistema de navegación de la sonda es el mismo que el utilizado en la Mars Express, con lo que ya ha probado su eficacia, en el caso de Rosetta está constituido por dos sistemas ópticos de navegación. Se utilizan dos sistemas independientes e idénticos para darle redundancia al sistema, en el espacio y estando tan lejos no te puedes fiar de que te falle uno. Estos sistemas son los llamados NAVCAM. Cómo en este blog nos gusta la tecnología, la electrónica e intentar saber un poco cómo funcionan las cosas, intentaré dar algunos detalles más de este sistema.

La nave ha estado hibernando 31 meses durante los cuales ha estado girando para mantener la estabilidad de su orbita, pero sin control (todos los sistemas estaban apagados). Una vez despierta tiene que volver a orientarse y localizarse en el espacio para esto el sistema utilizado es muy curioso, o al menos a mí me lo parece. La sonda toma imágenes de las estrellas que tiene a la vista y compara con un mapa del cielo buscando cual es la dirección que lleva, y corrigiendo la dirección en caso necesario. Pero ¿cómo se hace esto? intentaré contaros lo que he podido averiguar.

Sistema NAVCAM

Sistema NAVCAM

Sistema NAVCAM

Este sistema es el usado para la navegación y consta de tres partes básicas, la óptica, la unidad de electrónica o de proceso y la fuente de alimentación (DC/DC) utilizada para alimentar correctamente el sistema desde la tensión proporcionada por los paneles solares.

Óptica

La mayor particularidad del sistema óptico viene de todas las precauciones que hay que tener para su correcto anclaje y protección térmica, para ello utilizaron toda la experiencia adquirida con la sonda CASSINI. Los elementos ópticos se anclan en una monturas de aleación de titanio para que las contracciones y dilataciones debidas a los cambios de temperatura sean los mismos en el soporte que en los cristales de la óptica, de otra forma el estrés térmico podría acabar rompiendo los cristales.

La óptica consiste en un objetivo de 46mm de distancia focal, con una apertura de 1.5f. Se utiliza una estructura “Doble-Gauss” como las utilizadas en las cámaras comerciales. En el caso de Rosetta, las lentes están construidas con cristales resistentes a la radiación, este sistema nos permite controlar y corregir las posibles aberraciones cromáticas que nos permitirán mejorar la precisión a la hora de localizar las estrellas. Los posibles cambios en la focal debido a la temperatura están controlados y calibrados utilizando un sensor de temperatura incrustado en la montura. Como veis hay que tener muchas cosas en cuenta que aquí en la Tierra no prestamos atención.

También es importante en este sistema lo que los fotógrafos llaman parasol, que en este caso también es “para-Tierra” o “para-Marte”. Es decir unos paneles adjuntos a las lentes para bloquear el paso de la luz del sol o la luz reflejada por la Tierra o Marte que podría cegar el sistema de navegación. Garantiza que bloquea la luz del Sol en un ángulo de 45º con respecto a este y la luz de la Tierra o Marte en unos 30º. Este dispositivo ha sido contruido por una empresa española (SENER).

Unidad Electrónica

La unidad electrónica presenta algunas sorpresas. Se podría pensar que dado que es el sistema de navegación es fundamental para el éxito de la misión, el dispositivo CCD será de una altísima resolución con un buen puñado de millones de píxeles. Curiosamente esto no es así. El dispositivo CCD es una matriz de 1024×1024 píxeles es decir solamente 1Megapíxel de resolución, además el tamaño de los píxeles es de 13×13 micras, dando un área de 169 micras cuadradas, es decir, los píxeles son muy grandes si los comparamos con el tamaño de los píxeles de las cámaras convencionales.

Camera Sensor size Megapixels Pixel area (µm2) Pixel
density (MP/cm2)
Nikon D700 36 x 24 mm CMOS sensor 12.9MP 67.0 1.5
Nikon D3 36 x 24 mm CMOS sensor 12.9MP 67.0 1.5
Nikon D70 23.7 x 15.6 mm CCD sensor 6.3MP 58.7 1.7
Nikon D40 23.7 x 15.5 mm CCD sensor 6.3MP 58.7 1.7
Canon EOS 350D / Digital Rebel XT 22.2 x 14.8 mm CMOS sensor 8.2MP 40.1 2.5
Nikon D60 23.6 x 15.8 mm CCD sensor 10.8 MP 34.6 2.9
Nikon D80 23.6 x 15.6 mm CCD sensor 10.8MP 34.5 2.9
Nikon D40X 23.6 x 15.6 mm CCD sensor 10.8MP 34.5 2.9
Canon EOS 400D / Digital Rebel XTi 22.2 x 14.8 mm CMOS sensor 10.5MP 31.3 3.2
Canon EOS 40D 22.2 x 14.8 mm 10.5MP 31.3 3.2
Nikon D90 23.6 x 15.8 mm CMOS sensor 12.9MP 28.9 3.5
Canon EOS 500D / Digital Rebel Ti1 22.3 x 14.9 mm CMOS sensor 15.1 MP 22.0 4.5
Canon EOS 7D 22.3 x 14.9 mm CMOS sensor 18 MP 18.5 5.4

La tabla anterior ha sido extraída de Sensor Pixel Size as a Determinant of Digital Camera Image Quality. El tamaño del píxel es grande para reducir el ruido y además permite una mayor capacidad de almacenamiento de luz con lo que aumenta también el rango dinámico del sensor. El número de píxeles veremos que es más que suficiente y además dependiendo del modo de operación no se utiliza toda la superficie, ya que serían muchos datos a tratar.

El componente principal de proceso, es un DSP (Digital Signal Processor) o procesador digital de señales DSP21020 de Atmel. Toda la tarjeta está fabricada por una empresa española llamada CRISA. El DSP21020 de Atmel es una versión con protección contra la radiación de un DSP de Analog Devices, en el post sobre el Curiosity ya vimos lo que supone estar protegido contra la radiación, en este post me gustaría dar unas pinceladas de porqué se utiliza un DSP y las diferencias con una CPU, digamos, “normal”.

Un “Digital Signal Processor” o DSP, como su nombre indica, es un dispositivo que hará de núcleo de procesamiento, pero con unas características especiales que le hacen idóneo para el tratamiento digital de señales, es decir, para ejecutar algoritmos que se utilizan normalmente en este ámbito de la ciencia, como transformadas de fourier discretas, correlaciones, convoluciones, etc. No es necesario saber los entresijos de estas funciones, pero si saber que para calcularlas se necesita hacer muchas multiplicaciones de dos números mientras se va sumando el resultado en otra variable. Pues bien, aquí es donde los DSP ofrecen una ventaja clara, estos procesadores son capaces de realizar la operación de multiplicar dos números y sumarlos a un registro en un solo ciclo de computador. Y son capaces de esto ya que no siguen la estructura Von Neumann utilizada normalmente por los procesadores. Los DSP utilizan arquitectura Harvard que es capaz de acceder a la memoria de datos y memoria de programa en el mismo ciclo.

Se necesitan estás cualidades que nos ofrecen los DSP por la forma de navegar.

Navegando como los marineros

Los antiguos marineros navegaban guiándose con las estrellas, localizando la estrella polar que conseguían situar en el cielo gracias al reconocimiento de ciertos patrones que conocemos como constelaciones. Básicamente esto es lo que hace nuestra protagonista, solo que esta vez no sigue la estrella polar, si no que seguirá la posición de una estrella que le lleve a su destino, o las que sean necesarias para realizar las maniobras.

Para esto tiene cargado un catálogo de estrellas basado en el catálogo Hipparcos, que es uno de lo más precisos y actualizados. Lo que se ha realizado es una adaptación de este catálogo teniendo en cuenta la posición de las estrellas y las características del sistema NAVCAM. De esta forma si dos estrellas se hayan muy juntas para que el sistema las detecte por separado, se cuentan como una estrella con la magnitud resultante que mediría el sistema. De esta forma solo serán necesarias las estrellas que sean distinguibles por el sistema, y con las magnitudes que se vayan a utilizar para discriminar correctamente la posición.

El catálogo contiene 3902 entradas útiles para la navegación. Además de las posiciones tiene una base de datos de patrones, con la correspondiente posición en el sistema de referencia. De esta forma puede detectar la posición identificando los patrones que encuentre en su campo de visión.

Una vez despertada lo primero que hizo fue entrar en modo “lost in space”, es decir, cuando no sabe donde se encuentra. El sistema realiza una operación de Adquisición Autónoma y Control de Inclinación Gruesa (AA&CAD Autonomous Acquisition and Coarse Attitude Determination). El sistema intenta situarse en el espacio, mediante la adquisición de un frame completo (los 1024×1024 píxeles) y se busca el patrón que pueda coincidir para situarse en el espacio. Una forma rápida de buscar estos patrones es realizar una correlación entre la imagen capturada y tratada (umbralizada para quedarnos con las estrellas de cierto brillo, y calculadas las distancias relativas y posibles triangulaciones) y la base de datos contenida en el catálogo.

Detección de Estrellas

Detección de Estrellas

Una vez realizado este paso se accede al modo Rastreo autónomo y determinación fina de inclinación (AT&FAD Autonomous Tracking and Fine Attitude Determination), en este modo ya no se utilizan más de 9 estrellas en el entorno de la inclinación necesaria, con lo que se reduce el número de datos necesarios para realizar las correcciones, reduciendo el tamaño de la imagen necesaria. Este proceso se puede hacer hasta 2.5 veces por segundo. La selección de estrellas está determinada por la magnitud apreciada por la sonda, y contrastada con el catálogo.

Esto de guiarse con las estrellas es una ventaja en el espacio porque nunca estará nublado, aunque Rosetta tiene un algoritmo que le permitirá seguir posicionándose aunque haya ruido, o lo que llaman falsas estrellas, que puede se produzcan cuando esté cerca del cometa por los posibles desprendimiento o polvo que pueda tener a su alrededor, aunque sobre el funcionamiento de este algoritmo no he encontrado información ;-(.

Yo no sé a vosotros pero a mí me ha parecido interesante algunos de los detalles de esta sonda.

¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi

Referencias:

Marco Buemi, Andrea Landi, Dorico Procopio,Autonomous star tracker for Rosetta

Mathias Lauer, Sabine Kielbassa, Ulrich Herfor, “Assessment of AOCS in-orbit performance for Mars Express and Rosetta

http://pdssbn.astro.umd.edu/review/rosetta201204/presentations/msk-navcam.pdf

http://www.infosondas.com/2013/11/pdf-navcam-rosetta-galileo-avionica/

Tecno-Tapa: Pantallas de Cristal Líquido LCD

A raíz de la entrada Polarización ¡Qué sustos nos das! publicada en el insigne Blog Cuentos cuánticos, se me ocurrió que podría explicar como funcionan las pantallas de televisión LCD actuales. Así que, si te interesa saber como funcionan, esta es tú entrada.

Posibles usos de una pantalla: Dar ruedas de prensa.

El funcionamiento de los televisores es muy similar al funcionamiento de las pantallas de la viejas calculadoras, o de los relojes digitales. Así que empezaremos explicando como funcionan estos. En la siguiente figura se muestra un esquema de funcionamiento de una pantalla LCD capaz de mostrar 3 dígitos:

Partes de una pantalla LCD

Las distintas partes son:

  1. Polarizador Vertical
  2. Pantalla transparente con electródos.
  3. Capa de cristal líquido. Normalmente (Twisted Nematic)
  4. Electrodo común
  5. Polarizador Horizontal
  6. Pantalla reflectante

Para explicar el funcionamiento comenzaremos de atrás hacia adelante. La pantalla reflectante (6) es la encargada de hacer “rebotar” la luz incidente para que parte de ella pueda llegar a nuestros ojos. En las pantallas de televisión está capa se sustituirá por un sistema completo de iluminación.

La capa (5) o polarizador Horizontal, se encarga de definir un estado de polarización conocido, en este caso polarización horizontal.

La capa (4) es una capa trasparente con un tratamiento conductor de forma que podemos aplicar tensión a esta lámina, nos servirá para definir la referencia de tensión, tensión que será necesaria aplicar para orientar las moléculas del cristal líquido.

La capa (3) es una capa de cristal líquido que se encuentra contenido entre los dos electrodos (capa 2 y capa 4), los cristales líquidos son una molécula que son capaces de reaccionar ante la presencia de una tensión, orientándose en el sentido de esta, es decir las molécula cambiarán la orientación en función del voltaje, lo que provocará que cambie el estado de polarización de la luz.

La capa (2) es una capa transparente con electrodos, pero en este caso hay distintas zonas que son accesibles independientemente, es decir, se puede aplicar tensiones a una y a otras no, de forma que podemos aplicar tensión a unos segmentos (segmentos se llaman a las rayitas que van dibujando los dígitos) y a otros no, de forma que podemos variar el estado de polarización en unas zonas o en otras.

La capa (1) es un polarizador Vertical, se encarga de “detectar” el estado de polarización de la luz a la salida de la celda LCD. Si recordamos entrabamos a la celda o segmento con una luz polarizada horizontal, si no aplicamos tensión, la parte del cristal líquido está diseñado para que convierta esta polarización horizontal en polarización vertical a la salida, de esta forma si no aplicamos tensión, a la salida veremos toda la luz. Si en su caso aplicamos tensión, la celda de cristal líquido no variará el estado de polarización de entrada (horizontal) con lo cual a la salida no veremos luz, ya que tenemos un polarizador orientado perpendicular a este. Así veremos una zona oscura que será la que dibuje el dígito.

En función de la tensión que apliquemos, podremos graduar la cantidad de luz que pasa o deja de pasar, es decir controlamos el nivel de gris con el que se muestra cada segmento.

Resumiendo:

La luz incide sobre nuestra calculadora totalmente despolarizada. Se refleja en la lámina reflectante. Mediante un filtro polarizador definimos el estado de polarización de esta. Esta luz ya polarizada atraviesa una capa de cristal líquido que cambia su estado de polarización de horizontal a vertical. Pero la orientación de la polarización a la salida dependerá de la tensión aplicada. El polarizador de salida dejará pasar más o menos luz dependiendo de la orientación de la polarización tras el cristal líquido, de forma que si coincide dejará pasar toda la luz (blanco), y si es perpendicular la bloqueará (negro).

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Si hemos conseguido entender el funcionamiento la calculadoras, el funcionamiento de las televisiones es exactamente el mismo, pero esta vez tenemos nuestra fuente de luz, y sustituimos los segmentos por subpíxeles, es decir hacemos estos segmentos mucho más pequeños y añadimos una capa de color para poder tener imágenes coloreadas, cada píxel de la pantalla estará formado por 3 subpíxeles de color Rojo, Verde y Azul, para poder formar cualquier color. El esquema de cada subpixel será el siguiente:

Subpíxel de una televisión en color

Como podéis imaginar lo complicado en este caso es el entramado de control, ya que cada uno de los subpíxeles debe ser direccionado independientemente. Para aplicar esta tensiones a cada subpixel es donde se encuentra la tecnología TFT (Thin Film Transistor), lo que permite construir pequeños transistores en las láminas de cristal que encierran el cristal líquido para facilitar el acceso a estos píxeles.

La tecnología usada en la iluminación trasera de la celda también definen el tipo de pantalla, ya que se pueden usar una especie de tubos de luz fluorescente, o iluminación LED.

A continuación os dejo con un vídeo de “Engineer Guy” explicando el funcionamiento, tiene subtítulos en castellano: “Enjoy it”

Por último me gustaría que os quedarais con un detalle, la luz a la salida de la pantalla está polarizada linealmente, ya que para conseguir un nivel de gris “proyectamos” el estado de polarización sobre el polarizador de salida. Comento esto porqué a partir de aquí será muy fácil conseguir una televisión en 3D. Pero esto ya será otra historia 😉

¿Nos leemos?

@guardiolajavi 

Curiosity para curiosos

El Curiosity haciendo trompos en Marte

En esta entrada quería hablaros del Curiosity. Sí, ese robotico de 6 ruedas que está dando vueltas por Marte. Pero voy a hablar desde el punto de vista de un Ingeniero en electrónica con nulos conocimientos sobre exploración espacial, pero al que le intrigaba saber qué microprocesadores se usan en la exploración espacial y porqué.

Las primeras noticias que me hicieron pensar sobre esto son el montón de artículos que aparecieron comparando las especificaciones del procesador del Curiosity con las de cualquier SmartPhone, donde claramente siempre ganaba el SmartPhone.

Para tener un breve resumen aquí tenemos un tuit de Mikko Hypponen, especialista en seguridad informática, además de un tipo con una ironía más que fina. (Que por cierto fue mi jefe durante una temporada, bueno, no exactamente, pero trabajé en la distribuidora de sus productos aquí en España).

Comparadas así las especificaciones, la primera pregunta que nos viene a la cabeza es ¿Por qué no utilizan un microprocesador más potente?, que los hay, y bastante más potentes que los de un iPhone.

El primer motivo para no usar estos microprocesadores de última generación, es que no están preparados para la radiación que tienen que aguantar estos dispositivos. Y cuando hablo de aguantar, me refiero a que sigan funcionando sin errores. Por qué en el espacio exterior y fuera de la protección del campo magnético terrestre la radiación es muy intensa, de hecho parece ser que más de lo que se pensaba.

Estas radiaciones que podrían poner en peligro las misiones tripuladas a marte, como bien comenta @lauramorron en este fantástico post. También afectan y mucho a los sistemas electrónicos, por eso los microprocesadores utilizados deben ser resistentes a la radiación (Radiation Hardened). Por eso hay una serie de procesadores que se utilizan para salir al espacio exterior.

En “Los microprocesadores de las naves espaciales” de Daniel Marín (@Eurekablog) hace un repaso a los microprocesadores más usados en la carrera espacial, donde os recomiendo también leer los comentarios porqué hay algunos muy acertados.

Pero aún no se ha respondido a mis dudas, bueno un poco, se utilizan estos procesadores porque son resistentes a la radiación. Muy bien. Pero, ¿Por qué son resistentes a la radiación y mi móvil no?

Para intentar responder a esto, nos centraremos en el microprocesador que comanda al Curiosity que es el RAD750 de BAE Systems, basado en arquitectura PowerPC.

RAD 750

Este procesador utiliza tecnología CMOS, con canal de 25 micras, lo que está muy lejos de los 25 nanómetros de la  tecnología más puntera. Lo que permite una mayor inmunidad a la radiación, además de ser “Latchup-inmune“, es decir, previene el posible enclavamiento debido a la radiación que se produce por los transistores BJT parásitos. A pesar de estás “limitaciones” tecnológicas el RAD750 multiplica por diez la potencia de su antecesor el RAD6000

Además de las consideraciones de diseño físico implementa otros sistemas, como la protección de errores de la memoria interna y de los registros de las unidades aritmético-lógicas (ALU). Las unidades aritmético-lógicas son los bloques funcionales que forman parte del microprocesador que se encargan de realizar las funciones suma, resta, multiplicación, etc. y las funciones lógicas, AND, OR, etc.

Pero el Curiosity no solo es tolerante a fallos por su microprocesador, si no que lo es por el sistema completo, y de este sistema me gustaría destacar 2 elementos, la memoria SUROM y el Sistema Operativo.

SuROM

Las siglas SuROM corresponden con el acrónimo Start Up Read Only Memory, o lo que en castizo sería: Memoria de solo lectura utilizada en el arranque. Vamos lo que viene siendo la BIOS (Basic Input Output System) de cualquier ordenador. Aunque esta memoria en el caso del computador del curiosity tiene ciertas características interesantes.

Consiste en 256Kbytes de memoria no volátil que incluye el programa de carga del RAD750. Esta memoria esta organizada en bloques de 128Kbytes. Y se puede acceder a ella tanto desde el procesador principal (el RAD750) como de los procesadores que gestionan el bus o la interfaz de comunicaciones. Esto nos será útil en el caso de que el procesador principal se quede “colgado”.

Lo interesante es que la memoria está formada por palabras de 24bits, de los cuales 16bits son de datos y 8 bits para la corrección de errores. El código corrector nos permite en el caso de que se haya producido un solo error corregirlo, y nos permite detectar hasta 2 errores simultáneos.

La SuROM contiene software para realizar las siguientes funciones:

  • Rutina para cargar una imagen en la RAM de uso normal y transferir el control a dicha imagen.
  • Rutinas de inicialización en el caso de reset o apagado.
  • Rutinas de testeo para el RAD750 así como los controladores del bus.
  • Drivers para el acceso a los distintos bloques.
  • Rutinas de testeo de memoria.
  • Rutina de manejo de excepciones.
  • Cargador del Sistema Operativo.
  • Soporte para el software de depuración mediante el interfaz de comunicaciones.
  • Soporte para el software de depuración mediante el interfaz del bus.

Como se puede observar está pensado para llevar al sistema a un estado conocido o para poder detectar posibles errores o salir desde algún fallo. Algo que parece imprescindible cuando no podemos enviar nadie allí a ver qué ha pasado. ;).

De hecho son cosas que ya han pasado. El Curiosity ha tenido que pasar a modo seguro, o lo que es lo mismo, a un estado conocido desde donde se comienza a testear todo el sistema para ver donde ha podido estar el fallo y recuperar toda la información posible. Como se recoge en los siguientes enlaces:

Curiosity sufre un problema con su ordenador (Bitácora del Curiosity 23)

New Curiosity “Safe Mode” Status Expected to be brief

Curiosity en “modo seguro” por un problema con el ordenador de abordo

Pueden ocurrir errores, pero parece que de momento se recuperan, por supuesto debido a la redundancia (ya que no lo he comentado pero lleva 2 ordenadores exactamente iguales) y a estos “detalles” de los sistemas que hemos comentado.

Sistema Operativo

Otro de los detalles que hacen al ordenador de abordo del Curiosity tan tolerante a fallos es el sistema operativo. Aunque parezca mentira el sistema operativo usado no es Windows (una pena) si no uno llamado VxWorks, que es un sistema operativo comercial pero centrado en el uso para sistemas en tiempo real.

Que se centre en sistemas en tiempo real significa que debe responder rápidamente a cualquier petición externa de apoyo o reacción, es decir, si ocurre cualquier evento en la multitud de sensores o equipos que lleva abordo el Curiosity el sistema tiene que ser capaz de responder en el menor tiempo posible, lo que evitará que se pierdan datos, o que se caiga por un barranco ;).

Para conseguir esto tiene una serie de características  entre las que me gustaría destacar las siguientes:

  • Multitarea. Más que necesaria para toda la retaila de cosas que tiene que hacer el Curiosity a la vez, moverse, comunicarse, tomar datos …
  • Planificación Round-Robin. La planificación es la forma en la que se gestiona el acceso a los recursos del computador, memoria, cálculos, etc. para cada uno de los procesos que se ejecutan. La planificación Round-Robin, es la más sencilla ya que es simplemente una rueda de acceso donde se le va dando acceso a los recursos secuencialmente y durante un periodo de tiempo determinado. Esto permite varias cosas, primero que tengamos definido el tiempo que como máximo tardará un proceso en acceder al procesador, algo que es imprescindible cuando queremos tener un sistema de respuesta en tiempo real. Y segundo, que cuando se le acaba su tiempo se pasa al siguiente proceso, lo que nos hará más inmune al “cuelgue” definitivo del ordenador.
  • Respuesta rápida a interrupciones. Las interrupciones son eventos que se producen en el sistema y que reclaman la acción del procesador, que actuará llamando a la rutina software que se encargará de dicha llamada.
  • Entorno para el manejo de errores. Poco más que añadir debe tenerlo para asegurar la recuperación desde un error.
  • Protección de memoria. Implementa elementos (“semáforos”) para el control de acceso de memoria, evitando el acceso indebido a la memoria usada por otro proceso.

Resumiendo, que el Curiosity sea tolerable a fallos es debido a un conjunto de características tanto físicas, como es el diseño del microprocesador, carcasas de protección, etc. como de características software del sistema operativo. Además de contar con redundancia ya que trabajan dos sistemas en paralelo pudiendo pasar el control de uno a otro en cualquier momento.

Espero que todo esto os haya dado una perspectiva, que por lo menos a mi me interesaba, de las peculiaridades de los sistemas aero-espaciales.

¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi