Aplicación Basada en Realidad Aumentada para

Entrenamiento en la PTAR El Salitre Fase I

1Juan Carlos Díaz Quintero, 2Johnnatan Castañeda González, 3Oscar F. Avilés S.

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

1jucdiazq@correo.udistrital.edu.co, 2jonacastanedag@correo.udistrital.edu.co, 3ofaviless@udistrital.edu.co

Abstract: This document is based on the design and

development of an augmented reality application for use on a

mobile device. The application has been developed in the free

software Unit and Vuforia, focused on the electromechanical

maintenance area of the wastewater treatment plant phase 1

PTAR SALITRE; The purpose of the application is to reduce

machine downtimes due to corrective and / or preventive

maintenance within the PTAR Saltpeter. The implementation

of the application is focused on the equipment identified by its

priority as critical, since it´s downtimes of said equipment,

generate dead times, stops in processes that affect the removal

of suspended solids and BOD5 generate (biological oxygen

demand), which are indicators of production at the PTAR

Salitre plant.

Index of Terms: Augmented reality, bookmark, template, CAD,

Android.

Resumen—Este documento se basa en el diseño y desarrollo de

una aplicación de realidad aumentada para uso en un

dispositivo móvil. La aplicación ha sido desarrollada en el

software libre Unity y Vuforia, enfocada al área de

mantenimiento electromecánico de la planta de tratamiento de

aguas residuales fase 1 PTAR SALITRE; el fin de la aplicación

es disminuir los tiempos de parada de máquinas debido a

mantenimientos correctivos y/o preventivos dentro de la PTAR

Salitre. La implementación de la aplicación está enfocada en los

equipos identificados por su prioridad como críticos, puesto que

los tiempos de parada de dichos equipos generan tiempos

muertos, paradas en los procesos que afectan la remoción de

solidos suspendidos y genera DBO5 (demanda biológica de

oxigeno), los cuales son indicadores de producción en la planta

PTAR Salitre.

Índice de Términos—Realidad aumentada, marcador, plantilla, CAD, Android.

I. INTRODUCCION

La Realidad Aumentada es una tecnología basada en la

combinación de información real con información digital,

cada vez tiene más auge y está siendo implementada como técnica para la formación de los ingenieros en grandes

empresas y para la presentación de sus proyectos. Mediante

dicha tecnología, podemos simular, analizar y seleccionar

equipos y/o sistemas mostrándolos visualmente a través de

un dispositivo móvil, de una forma interactiva, y partiendo

como único documento base de una imagen.

El desarrollo del proyecto está enfocado al área de

mantenimiento electromecánico de la Planta de Tratamiento

de Aguas Residuales El Salitre, donde por medio de la

aplicación desarrollada el técnico encargado encontrara un

apoyo y/o guía que le facilitara optimizar las tareas de

mantenimiento mediante la visualización en

representaciones 3D de los equipos e indicaciones de los

componentes, información del instrumento a reemplazar y la guía de tareas a desarrollar.

La aplicación desarrollada tiene aplicabilidad en los

equipos e instrumentos de mayor criticidad para la PTAR

Salitre.

II. REALIDAD AUMENTADA

“La realidad aumentada es una combinación del entorno

real con elementos virtuales, con los que el usuario interactúa

en tiempo real; combina y registra objetos virtuales y reales

y se ejecuta interactivamente en tiempo real, [1]. La

tecnología de la realidad aumentada emplea, como

interactivos, dispositivos de visualización similares a la

realidad virtual, pero permitiendo ver el escenario real (ver

imagen 1). Se añaden, además, los sistemas necesarios para

integrar la información física existente con la información virtual”. (Redondo, 2012)

Para lograrlo se precisa de la capacidad de reconocimiento

y rastreo de los objetos del mundo real que interactúen con

los elementos virtuales. Para ello se emplean varios métodos:

unos emplean los datos de geolocalización y de orientación

que nos proporciona un GPS (sistema de

geoposicionamiento por satélite). Otros métodos usan

marcadores, que consisten en elementos con características

geométricas o patrones únicos que les posibilitan ser

detectados con facilidad por el sistema para incorporar

imágenes, textos, vídeos y objetos 3D, al entorno real y poderlos manipular e incluso hacer que interactúen entre sí,

que es el método utilizado en el proyecto diseño y desarrollo

una aplicación basada en realidad aumentada de

entrenamiento para el área de mantenimiento

electromecánico en la planta de tratamiento de aguas

residuales El Salitre fase I).

Los dispositivos de visualización en realidad aumentada se

sitúan entre la realidad y nuestros ojos, de este modo ver la

realidad aumentada a través de la pantalla. Comúnmente se

emplean los sistemas see-through [4], que permiten

visualizar directamente la escena real y representar los

elementos virtuales necesarios como el utilizado por el software de desarrollo UNITY.

Dispositivos de este tipo pueden ser cascos HMD, gafas

especiales (Google glass) o bien pantallas de visualización

transparentes dispuestas sobre una mesa de trabajo, sistema

utilizado en 2010 por Van Waardhuizen, Oliver y Gimeno.

En cuanto a sistemas de rastreo se emplean cámaras digitales,

sensores ópticos, acelerómetros, sistemas de

geoposicionamiento por satélite (GPS), giróscopos o

sensores infrarrojos, tecnologías que ofrecen varios niveles

de precisión; como medios interactivos se emplean

dispositivos similares a la realidad virtual, como los guantes

especiales que incorporan marcadores para el seguimiento y control de los movimientos de la mano. Una novedad es el

empleo de sistemas de detección por infrarrojos para el

seguimiento del usuario para que éste pueda interactuar con

el sistema mediante el registro de su movimiento. En este

sentido se está empleando la tecnología ya desarrollada en

los videojuegos (como el sensor KINECT) [5]. Por último,

está ya siendo posible el uso tanto de tabletas como de

teléfonos inteligentes como dispositivos de visualización y

de interacción en realidad aumentada, al incorporar

elementos necesarios para visualización y detección tales

como cámaras, sensores MEMS, acelerómetros, o GPS.1 Ver Figura 1

Fig. 1. Realidad aumentada aplicada en un tablero de

distribución

A. Desarrollo de la realidad aumentada

Vale la pena destacar que la RA no se limita a usuarios de

computadoras, se han creado aplicaciones para teléfonos

móviles / celulares, tales y como:

Unity: es una framework de desarrollo de videojuegos 2d

y 3d creada por la empresa Unity Technologies. En la página

web de Unity, en la sección Made with Unity, podemos ver

que este software se ha utilizado para crear multitud de

juegos conocidos y otros no tan conocidos, como se puede ver en la figura 2. También se ha utilizado para crear

experiencias de Realidad Virtual interactivas e incluso

miniseries, como “Baymax Dreams”, producida por Disney

junto con Unity, donde se ha utilizado el editor para procesar

y pre visualizar en tiempo real todos los capítulos de la

miniserie.

Unity puede usarse junto con Blender, 3ds Max, Maya,

Softimage, Modo, ZBrush, Cinema 4D, Cheetah3D, Adobe

Photoshop, Adobe Fireworks y Allegorithmic Substance.

Los cambios realizados a los objetos creados con estos

productos se actualizan automáticamente en todas las

instancias de ese objeto durante todo el proyecto sin necesidad de volver a importar manualmente [6].

1 Revista bimestral de ingeniería multidisciplinar Dyna | Julio Dyna | Julio

- Agosto 2014 | Vol. 89 nº4 | 383 - Agosto 2014 | Vol. 89 nº4 | 383

Fig. 2. Videojuego desarrollado en Unity.

Con Unity se han desarrollado algunos de los juegos más

famosos para móvil, “ Monument Valley ”, “ Ghost of a Tale

”, “ Hollow Knight ” o “ Cuphead ”.

Una de las características más importantes y más cómodas

de Unity es que soporta la exportación a una cantidad enorme de plataformas. No solo podemos elegir la plataforma con la

que vamos a trabajar creando y editando nuestro juego, cuyo

editor en este momento soporta Windows y MacOS, además

de Linux de forma experimental, sino que podemos crear

nuestro juego para más de 25 plataformas. [7].

Layar: es una plataforma abierta móvil en el que se recrea

el contenido de RA. Funciona mediante el uso de una

combinación de la cámara del teléfono móvil, GPS, brújula,

acelerómetro y una conexión a Internet móvil. La cámara

capta el mundo visto a través de su lente y se nota en la pantalla, como se visualiza en la figura 3. El GPS determina

la posición exacta y la brújula y acelerómetro determinan la

dirección de la vista.

Actualmente no es compatible con teléfonos BlackBerry,

WebOS, y sistemas operativos Windows 7. Está disponible

para el iPhone / iPad, en App Store, en Android Market y la

tienda de Nokia Ovi, también se puede descargar de su

página oficial en: www.layar.com. [8]

Fig. 3. Aplicación de RA desarrollada en Layar.

Junaio: desarrollado por la empresa “Metaio” en Múnich.

Ofrece un servicio gratuito, basado en API: Application

Programming Interface, que permite a los usuarios con

conocimientos y habilidades en los lenguajes web, crear

emocionantes experiencias de RA.

Proporciona herramientas como: “Junaio Glue”, donde

además de reconocer las imágenes, éstas se pueden mejorar

con contenido virtual sin necesidad de utilizar marcadores

especiales. Está disponible de forma gratuita para todos los

desarrolladores y se ha creado para trabajar con modelos 3D.

También ofrece canales basados en Geo-localización a fin de

mostrar puntos de interés en el entorno del usuario, con tan

sólo mirar a través de su teléfono, y así ver objetos virtuales,

3D animados o estáticos con o sin texto, sonidos o vídeos que

flotan en la posición de un punto de interés, como se observa

en la figura 4. Se puede descargar de su página oficial en www.junaio.com.[9]

Fig. 4. Aplicación basada RA desarrollada en Junaio.

TwittARound: se ejecuta por los momentos con el sistema

operativo Android y para el iPhone 3G en adelante. Se encuentra disponible en la App Store de Apple. Esta

aplicación creada en Webkit y desarrollada por Michael

Zoellner, muestra los Tweets de los usuarios en torno a su

ubicación, justo en el lugar en que fueron escritos en tiempo

real, así como el de las personas que se encuentren a su

alrededor.

Además, incorpora un efecto que muestra el avatar de cada

usuario a mayor o menor distancia del horizonte, ofreciendo

de esta forma, una referencia sobre la lejanía o cercanía del

lugar desde donde se está twitteando como se visualiza en la

figura 5. Se puede descargar de: www.appstorehq.com[9]

Fig. 5. Aplicación de RA para twitter desarrollada en

TwittARound

III. REVISION DE LA LITERATURA

Recientemente, la Realidad Aumentada (RA) se ha

convertido en un concepto que ha atraído la atención de

muchas personas por ser una tecnología que muestra la

información virtual superpuesta sobre el medio ambiente

real. No obstante, su origen no es nuevo, surge a finales de 1960, a partir de los estudios que en paralelo realizaban tanto

el Doctor Iván Sutherland: creador de la primera interfaz

gráfica de usuario (GUI), y el precursor de la mayoría de las

interfaces de comunicación que hoy en día existen, [1].

Morton Heilig L. creador del “Sensorama”, una máquina

2http://eduqa2012.eduqa.net/eduqa2012/RAy_aplicaciones_para_el_

elearning.pdf

diseñada y construida de acuerdo con estándares de los

juegos de “Arcade”, donde por medio de un casco con una

pantalla, llamada “Máscara Telesfera” la cual fue el

prototipo de los cascos utilizados en aviones de combate

militar, proporcionaba una experiencia que incluía los cinco

sentidos del ser humano. El primer uso práctico de esta

máquina fue en la película "Guerra de las Galaxias".

(Korowajczenko, 2012) Continuando con este orden de ideas, es en 1990 cuando

aparece realmente este concepto: “Realidad Aumentada”

(RA), por una investigación que el Doctor Thomas P.

Caudell [2] estaba realizando desde la década de los 80 para

la compañía Boeing, en donde los trabajadores de esta

empresa, a través de una pantalla digital, eran guiados en el

montaje de los cables eléctricos en los aviones. De la misma

forma, en esa década Robert Azuma publicó un artículo que

describía la reciente apertura de su equipo en el campo de la

RA, y detallaba como él y su grupo habían encontrado una

solución para aplicaciones exteriores de RA – la noticia fue muy fuerte – porque las comunicaciones inalámbricas

comenzaron aparecer sólo en los años 90, y las aplicaciones

de Bluetooth, la identificación RFID y otras herramientas

como el LAN inalámbrico no eran fáciles de comprender, por

lo que cuando Azuma propuso sobre la base de datos de los

movimientos del usuario sensores como: el giroscopio, el

acelerómetro, la brújula digital y los sensores de posición

angular, todo ello para mostrar “etiquetas de texto” para los

puntos de control remoto virtual de interés, causó un gran

revuelo.2 [9]

Durante este período, también se observó una realidad

mixta, la cual era desarrollada por una parte en los

laboratorios en sistemas mixtos de la realidad de Singapur,

Suecia y Alemania, trabajando en dos direcciones: en el

casco y en las interfaces de realidad virtual con una pantalla

de video. Y por la otra, Philippe Kahn creó el primer teléfono

móvil del mundo con cámara digital improvisada para enviar

fotos en tiempo real, debido a que él quería compartir con el

mundo, el nacimiento de su hija recién nacida Sofía, lo cual

logró permitiéndole compartir las fotos a más de 2.000

amigos y conocidos. Su invento fue el punto de partida para la creación de

teléfonos celulares con cámara, que ofrecen ahora la mayoría

de los principales fabricantes de equipos móviles del mundo.

Sin embargo, no fue hasta el 26 de febrero de 2009, cuando

la tecnología de RA llegó a estar verdaderamente disponible

capturando la mentalidad del público y de la prensa.

Esto se debió a una serie de conferencias ofrecidas en el

Instituto de Tecnología de Kyushu en Japón; siendo uno de

los principales ponentes el Doctor Sunao Hashimoto del

departamento de Ingeniería Mecánica de ese instituto, cuya

presentación fue el software "ARToolKit" para la construcción de los objetos en la RA. ARToolKit fue

desarrollado originalmente por el Dr. Hirokazu Kato, y su

actual perfeccionamiento está siendo apoyado por el

Laboratorio de Human Interface Technology (HIT) de la

Universidad de Washington, HIT NZ laboratorio de la

Universidad de Canterbury, Nueva Zelanda, y

ARToolworks, Inc., Seattle. 3[9]

A. Descripción del proceso PTAR salitre

Ubicación y aplicación: La aplicación está dirigida a la

PTAR El Salitre fase I ubicada en la calle 80 # 121-98 vía

Suba Lisboa, en la ciudad de Bogotá- Colombia.

Fig. 6. Ubicación planta PTAR Salitre, Fuente: Google

Maps.

B. Descripción del proceso en la línea de agua PTAR Salitre

La PTAR Salitre se encarga de la depuración de aguas

residuales generadas por aproximadamente 2.200.000

habitantes del noroccidente de Bogotá; se compone de dos

líneas principales que son la línea de agua y línea de lodos

que a su vez se subdividen en cinco zonas y/o fases que son

pretratamiento, decantación primaria, calentamiento de

lodos, deshidratación de lodos y transporte. En cada fase del

proceso de la PTAR se llevan a cabo varios subprocesos

donde intervienen maquinaria e instrumentación industrial

que requieren un plan de mantenimiento periódico para

aumentar su confiabilidad y así garantizar el correcto funcionamiento y el encadenamiento de los diferentes

procesos del sistema. A continuación, se indican en diagrama

de bloques las fases del proceso y los subprocesos, como se

muestra en la figura 7.

Fig. 7. Diagrama de las fases de proceso y subproceso. Fuente: [10]

3 Dra. Karinne Terán Korowajczenko

1. Toma de agua y pretratamiento: En este subproceso se realiza la captación de agua cruda como se le conoce al agua no tratada que ingresa a la planta. Para ingresar el agua a la planta se emplean 5 unidades de bombeo llamas bombas de tornillo de Arquímedes con un caudal

promedio de 4 𝑚3/𝑠. En el subproceso de pretratamiento, se realiza el filtrado fino para eliminar basuras, agregando productos químicos para de esta manera aglomerar las partículas y facilitar su separación del agua.

2. Decantación primaria: En estos tanques es removido lo que se conoce como el lodo primario que corresponde a una de las líneas fundamentales de la planta. El lodo es decantado por acción de la gravedad y extraído del tanque por medio de un puente barre lodos y bombeado hacia otro edificio por dos bombas centrifugas. De igual forma se retiran las grasas flotantes con el mismo sistema de dos bombas y se realiza la medición de los lodos extraídos.

3. Descarga al rio: El agua que sale decantada es conocida en campo como agua tratada y es expulsada de la planta mediante cuatro (4) canales donde se realiza la medición del caudal con el fin de llevar un registro del agua que entra y de la que sale.

4. Espesamiento de lodos: En este subproceso se retira el agua del lodo decantado para ser espesado y concentrado y de esta forma poder realizar el proceso siguiente de digestión anaerobia.

5. Digestión de lodos: El lodo bombeado desde los tanques espesadores requiere reducir su carga biológica mediante el proceso denominado digestión de lodos, el cual es realizado en tres tanques de anaerobia mesofílicos de mezcla completa y recirculación para calentamiento externo. Estas tres unidades de 8500 m3, funciona cada una a temperatura 35 ºC, con un tiempo de retención 17 a 22 días ya que son las especificaciones técnicas requeridas para este subproceso.

6. Deshidratación de lodos: Una vez digerido el lodo se almacena en un (1) Tanque de 2.700 m3 de capacidad. El lodo es deshidratado en (5) maquinas llamadas filtros banda de 3m de ancho con uso de la misma agua industrial que ha sido tratada en la PTAR. En esta etapa se le da manejo al lodo deshidratado que recibe el nombre en campo de (biosólido), se realiza llenado de los contenedores mediante (4) bandas transportadoras y un sistema staker (móvil).

IV. MODELADO DEL SISTEMA EN CAD

A. Identificación de los equipos críticos

Del análisis realizado al proceso de la PTAR, se obtiene

que dentro de cada proceso hay equipos y/o maquinas que son fundamentales para las líneas del sistema, que permiten

cumplir con los objetivos enmarcados en la PTAR Salitre.

Dichos equipos fundamentales son conocidos en

mantenimiento industrial como equipos críticos a los cuales

se les debe dar importancia alta y para su continuo y correcto

funcionamiento se debe contar con herramientas y

componentes de reparación y/o mantenimiento en stock para

atender cualquier parada de inmediato, evitando largos

tiempos muertos en el proceso misional.

Para el caso de interés de la presente investigación se

identificaron los siguientes equipos como críticos y a los

cuales se les implementara la aplicación de realidad

aumentada con el fin de facilitar el proceso de

mantenimiento preventivo, correctivo y/o predictivo según

corresponda al caso presentado en campo.

La criticidad de estos equipos se clasifica con un factor de

uno (1) a tres (3) dependiendo del impacto que genera una falla o no disponibilidad del equipo en el proceso y el costo

de reparación o mantenimiento del equipo crítico.

Factor de criticidad (FCr):

1. Bajo Impacto y/o Poco tiempo y bajo costo para

reparación

2. Medio impacto y/o Poco tiempo y alto costo para

reparación

3. Alto impacto y/o Alto tiempo y alto costo para

reparación

Los equipos críticos identificados por zona son los

siguientes:

En el subproceso de captación de agua, los motores de la

bomba del tornillo Arquímedes identificados con el tag

01P01A/B/C, que son motores de 375 Kw marca Brook

Hansen; su criticidad factor 3 se debe a que son

encargados de accionar los reductores mecánicos que

mueven los tornillos de Arquímedes para el ingreso de

agua cruda a la planta. La no disponibilidad de estos

motores genera una disminución en la capacidad de tratamiento de la planta o una parada total del proceso ver

figura 8.

Fig. 8. Motor de los tornillos de elevación 01P01. Fuente: Autor

En el subproceso de Pretratamiento en la dosificación de

cloruro férrico, las bombas de dosificación de membrana

Prominent Sigma identificados en campo con el tag 02P04A/B/C/D con una capacidad de capacidad 353 l/h

y 4 a 16 bares de presión. Su criticidad factor 3 se debe a

que una falla en la dosificación de este químico afectaría

directamente el proceso de remoción de grasas y arenas

disminuyendo considerablemente los índices de

remoción y tratamiento del agua en la planta como se

observa en la figura 9.

Fig. 9. Bombas de dosificación de cloruro férrico 02P04.

Fuente: Autor

En el subproceso de decantación primaria, los medidores de flujo electromagnéticos marca Endress+Hauser que

son de la línea Proline Promag P300 identificados con tag

05FIT01A/B/C/D/E/F/G/H y 08FIT01. Se observa en la

figura 10, Su criticidad se debe a que es necesario saber

la cantidad de lodo extraído para poder realizar la carga

de los digestores y no saturarlos. Es de aclarar que las

mediciones y datos obtenidos en las mediciones de estos

equipos se visualizan en el sistema de supervisión y

control SCADA y son monitoreados a diario por el

operario.

Fig. 10. Medidor de flujo Promag 05FITO1. Fuente: Autor

En el subproceso de espesamiento de lodos, las bombas

de cavitación positiva marca NEMO con tag 08P01A/B/C. Manejan caudales de 40 m3/h, para

presiones diferenciales de hasta 24bar. Se visualizan en

la figura 11. Su criticidad factor 3 se debe a que son las

encargadas de enviar el lodo espesado hacia los

digestores y una falla en su funcionamiento generaría

traumas en el proceso de digestión repercutiendo en la

producción de biogás y lodo digerido.

Fig. 11. Bombas espesamiento de lodos. Fuente: Autor

En el subproceso de deshidratación de lodos, el reductor

de tracción del filtro banda marca SEW EURODRIVE de

referencia KA87R57DRS80S4 identificados con el tag

12SB01A/B/C/D/E. se observa en la figura 12. Su

criticidad factor 3 se debe a que este reductor es el

encargado de accionar el mecanismo que mueve las telas

de la máquina, así realizar deshidratación del lodo.

Fig. 12. Moto-reductor filtro banda. Fuente: Autor

En el subproceso de transporte de biosolido, el motor de

tracción de la banda transportadora 12T02, que se

encarga de recoger el biosólido generado por los cinco filtros banda. ver figura 13 Su criticidad factor 3 se debe

a que una falla en este equipo genera una parada completa

en la zona de deshidratación y también genera demoras

en el llenado de las volquetas o camiones para la

disposición final de los biosolidos.

Fig. 13. Moto-reductor banda transportadora. Fuente: Autor

B. Modelado 3D - Inventor

Los modelos tridimensionales a utilizar en la aplicación se trabajaron en un software de diseño asistido por computadora

CAD, para este caso el software de diseño utilizado fue el

Autodesk Inventor®. ver figura 14.

Fig. 14. Autodesk Inventor 2019. Fuente: Autodesk

inventor

En el Autodesk Inventor® trabajamos los modelos de los

equipos críticos identificados, basados en los catálogos e

imágenes de los equipos reales, así como en las

especificaciones técnicas de cada equipo. Para esta

aplicación desarrollamos solo un modelo 3D por cada equipo

crítico, aunque en campo se encuentran de 4 a 5 unidades del

mismo equipo, puesto que son similares, como en el caso de

las bombas de cavidad progresiva, bombas de dosificación,

motores de los tornillos y medidores de caudal. Ver figura 15

Fig. 15. Modelo de motor 3d trabajado. Fuente: Autor

Los modelos CAD de Inventor® son creados en un

formato. ipt el cual es uno de los formatos admitidos por la

Unity.

V. DISEÑO DE LA APLICACIÓN

Se desarrolló una aplicación basada en realidad aumentada

dirigida al área de mantenimiento electromecánico de la

Planta de tratamiento de aguas residuales el salitre y

enfocada a los equipos conocidos como críticos debido a su

importancia y el papel que desempeñan en el proceso del

tratamiento de agua.

Por su importancia, estos equipos reciben un mantenimiento preventivo periódicamente además de

verificar su correcto funcionamiento a diario. En la

realización de los mantenimientos y las verificaciones es

oportuno contar con la información necesaria y básica para

facilitar las tareas y reducir los tiempos de paradas los cuales

causan traumatismos en el proceso de la PTAR. La

aplicación desarrollada ofrece de forma didáctica e

inmediata esta información

A. Algoritmos de programación PTAR

Para el desarrollo del proyecto se empleó el software Unity,

Vuforia, Inventor de Autodesk y Blender. A continuación, se

explicará la aplicación dada a cada uno:

Vuforia: es un kit de desarrollo de software de realidad

aumentada para dispositivos móviles; este kit permite la

creación de aplicaciones de realidad aumentada utilizando la

tecnología de visión por computadora (cámaras digitales),

para reconocer y rastrear imágenes planas y objetos 3D en tiempo real conocidos como marcadores. En este kit se crean

las bases de datos de los marcadores que contienen las

imágenes en formato .jpg que reciben una calificación de 1 a

5 estrellas que representan su calidad de reconocimiento por

la cámara siendo la de mayor número la de mejor

calidad.[11]

Para el presente proyecto se creó una base de datos llamada

PTAR, se puede visualizar en la figura 17, que contiene los

marcadores que corresponden a las imágenes de los equipos

críticos a detectar. Esta base de datos se descarga y es

utilizada únicamente en el software ya que su uso de formato

es exclusivo para Unity. Este kit de desarrollo también

permite la creación de las licencias necesarias para la

utilización de los marcadores de la base de datos a utilizar en

el software Unity. Para este proyecto se utilizó una licencia

libre de Vuforia. Ver figura 16.

Fig. 16. Licencias generadas en Vuforia [11]

La licencia generada se copia como texto y se pega en las

propiedades de la cámara AR de Unity, como se observa en

la figura 22.

Fig. 17. Base de datos de los marcadores fuente Autor

Esta base de datos se descarga y se importa en el software

Unity y de esta forma permite utilizar los marcadores para

ser detectados por la cámara AR Herramienta de desarrollo

Unity.

B. Desarrollo de la aplicación

La aplicación de Realidad Aumentada propuesta, se

desarrolló en el software Unity, el cual es dedicado al

desarrollo de aplicación basada en realidad aumentada,

realidad virtual y videojuegos. Desde el Unity Hub, creamos

una aplicación y para este caso la llamamos PTAR y

escogemos como plantilla de modelos 3D. Como se puede ver

en la figura 18.

Fig. 18. Creación de aplicativo PTAR fuente Autor

Una vez creado el proyecto, se debe configurar para

el desarrollo de aplicaciones en Android. Como se observa

en la figura 19. Esta configuración se realiza en el menú de

Build Settings, donde escogemos como plataforma de

aplicación Android.

Fig. 19. Configuración en android fuente Autor

Una vez que Unity carga los elementos para el desarrollo

de una aplicación Andriod, en el menu player settings

configuramos el apartado XR setting para que Unity pueda

soportar la realidad aumentada de Vuforia. Según se indica

en la figura 20.

Fig. 20. Selección Vuforia augmented

Realizadas estas configuraciones, es necesario reemplazar la camara principal por la camara de realidad aumentada.

Para esto eliminamos la camara principal e incluimos la AR

cámara con la cual se importan los elementos y archivos

necesarios para la utilizacion de la misma ver figura 21.

Fig. 21. Cámara RA Fuente Autor

A esta camara se le debe incluir una licencia de Vuforia en

las propiedades, para este caso en el apartado Vuforia

configuration como sepueder ver en la figura 22.

Fig. 22. Inclusión de licencia de Vuforia Fuente Autor

Esta licencia se obtiene directamente de la pagina web de

Vuforia. Para lo cual es necesario crear un usuario y una

contraseña, esta contraseña gratuita tiene restricciones en el

numero de usos, sin embargo para efectos de este proyecto

son suficientes.[11]

VI. DISEÑO DE MARCADORES

A. Creacion de los disparadores o targets

En la misma pagina de Vuforia, creamos una base de datos

la cual contiene todas la imágenes que se utilizan como

disparadores o targets, que activan la imagen tridimensional

asociada, al ser detectados por la camara del dispositivo

movil en el cual se esta ejecutando la aplicación. Los targets

pueden ser tipo imagen simple, cuboide, cilindrico o un

objeto 3D. En esta ocacion emplearemos imágenes simples

de formato .jpg como elementos disparadores.

Estas imágenes son incluidas en la pestaña target manager

de la pagina de vuforia y deben ser imágenes en formatos

.jpeg o .png de un tamaño maximo de 2 mb. Como sse observa en la figura 23.

Fig. 23. BD con imagenes como disparadores o targets Fuente Autor.

La base de datos creada se importa al desarrollador Unity

y de esta forma ya es posible utilizar las imágenes como

targerts o disparadores para la aplicación.

En el arbol de jerarquia incluimos la imagen escogida como

target, una vez incluida en el arbol, se ajusta tamaño y

posicion de la imagen, como se observa en la figura 24.

Fig. 24. Importación bases de datos de Vuforia a Unity

Fuente: Autor

Posteriormente se cargan los marcadores que voy a utilizar y que serán llamados a los targets para que la cámara AR los

proyecte y permitan evidenciarse en el equipo seleccionado

por el operador.

Fig. 25. Marcadores en el editor de Unity Fuente Autor

B. Botones de acceso y meno de usuario

En la aplicación de este proyecto se crearon seis botones de

navegación, a los cuales se les configuraron las acciones que

permite realizar interacción del usuario con la interfaz, ver figura 26.

A los botones agregados, se les configuraron el tamaño,

fuente y la acción a realizar que en este caso para el botón

“AR cámara”, activa la cámara del dispositivo móvil

Android y dependiendo de target visualizado muestra en

pantalla el modelo 3D del equipo detectado, además de la

información del mismo.

En el caso del botón “Inicio” y del botón “salir” muestran

la pantalla principal de la aplicación o sale de ella

respectivamente.

Fig. 26. Botones de acceso a la interfaz Fuente Autor

Las funciones de los botones se configuran en las

propiedades como se observa en la figura 27, desde la

pestaña inspector en el submenú botón y allí se configuran

las acciones de cada botón que consiste en navegar en cada

una de las pantallas.

Fig. 27. Configuración de los botones Fuente Autor

C. Botón inicio

Su función es retornar desde cualquier sub-fase y salir; la

configuración se realiza por medio de un script que consiste

en una programación en lenguaje C, mediante líneas de

código que permite programar las acciones a realizar. Como

se puede ver en la figura 28.

Fig. 28. Programación en lenguaje C: Fuente Autor

D. Modelos CAD en Unity

Los modelos de los equipos creados en Inventor, no son compatibles directamente con el desarrollador Unity, lo que

hace necesario cambiar el formato de la figura en uno que

pueda ser utilizado en la aplicacion. Para lograr esto se debe

exportar el objeto creado en Inventor a formato CAD y de

extension .stl el cual es posible visualizar el el programa

Blender donde se exporta en formato FBX el cual es

compatible con Unity. Como se observa en la figura 29.

Fig. 29. Visulizacion de objeto creado en Blender en formato

FBX Fuente Autor

Con el objeto ya importado en formato CAD de extension

.fbx, es posible importar la figura al desarrollador Unity

donde se hace la relacion de la figura CAD con el marcador

correspondiente. Cuando la camara del dispositivo movil o

pc detecta el target, muestra la figura 3D del equipo critico

diseñado, como se visualiza en la figura 30.

Fig. 30. Modelos CAD importados en Unity Fuente Autor

E. Diseño de las escenas

En las escenas se incluyen las imágenes o marcadores

dándoles la ubicación y tamaño deseados. Una vez ubicados

los marcadores se incluyen loa modelos CAD de los equipos y se asocian a los marcadores correspondientes.

Esta asociación se realiza en el árbol de jerarquía

seleccionando y arrastrando el objeto hacia el marcador

correspondiente, según se observa en la figura 31.

Fig. 31. Asociación de los marcadores y objetos CAD Fuente

Autor

Además de los modelos CAD de los equipos, se asoció

también a cada marcador texto y una imagen

correspondientes a la información técnica de cada equipo.

Con estas asociaciones se logra que al detectar con la

cámara una imagen marcador y al ser reconocida, se muestra

en pantalla el modelo 3D del equipo relacionado y un cuadro

de texto con la información técnica y una foto del mismo como se observa en la figura 32.

Fig. 32. Asociación de los marcadores y los paneles

información técnica del equipo.

F. Sistema de menús

Se diseñó un sistema de menús para la interacción con el

usuario como se puede ver en la figura 33. El sistema de menús cuenta con botones para la navegación entre ellos.

Estos e crearon en el árbol de jerarquía adicionando un

elemento tipo panel. En el panel se ubican elementos tipo

botón y se configuran las acciones realizar en las propiedades

de los botones

Fig. 33. Sistema de menús en la aplicación. Fuente Autor

Los menús diseñados en la aplicación son:

Información App

Escanear

Criticidad

Contacto

Cada menú se crea en un panel creado en el árbol de

jerarquía del proyecto.

VII. VALIDACIÓN

La aplicación desarrollada consta de un bucle principal el

cual contiene los pasos o etapas de ejecución generales.

Fig. 34. Funcionamiento de la aplicación Fuente Autor

Como se muestra en el mapa conceptual de la figura 34, la

aplicación comienza inicializando la cámara de video lo cual se hace con el botón “modelos 3D”. Con la cámara activa se

enfoca hacia el marcador correspondiente ubicado en cada

equipo crítico, identificado en la PTAR El Salitre.

Fig. 35. Interfaz de la aplicación. Fuente: Autor

Una vez reconocido el marcador, despliega el modelo 3D

del equipo crítico asociado al marcador, junto con la

información correspondiente al equipo captado, como se

observa en las figuras de la 36-40.

Tag o identificación del equipo en la PTAR

Marca y modelo

Factor de criticidad

Tipo de señales y/o comunicaciones que maneja (4-20mA, HART, señales digitales, etc.)

Tensión de alimentación

Consumo en corriente para el caso de los motores

eléctricos.

Fig. 36. Bomba de dosificación FECL3 en la aplicación RA

desarrollada. Fuente Autor

Con el botón “inicio”, cierra el modelo mostrado y vuelve a la portada o pantalla principal de la aplicación donde se

puede volver a activar la cámara para la identificación de otro

equipo o cerrar la aplicación con el botón “salir”.

Se escanearon los equipos en campo donde se comprobó el

funcionamiento de la aplicación desarrollada al mostrase en

pantalla el modelo 3D de equipo escaneado y la información

técnica. Como de se parecía en las figuras.

Fig. 37. Flujometro lodos espesados en la aplicación RA

desarrollada. Fuente Autor

Fig. 38. Motor bomba de tornillo en la aplicación RA

desarrollada. Fuente Autor

Fig. 39. Reductora banda trasportadora de biosolidos en la

aplicación RA desarrollada. Fuente Autor

Fig. 40. Flujometro de recirculación de lodos en la aplicación

RA desarrollada. Fuente Autor

VIII. CONCLUSIONES

Con el diseño y desarrollo de la aplicación basada en

realidad aumentada para el área de mantenimiento

electromecánico de la PTAR El Salitre, se cumplieron los

objetivos específicos propuestos.

La realización de la investigación correspondiente a

tecnología basada en la realidad aumentada y sus campos de

aplicación, así como las plataformas de desarrollo existentes

actualmente se dio cumplimiento al primer objetivo específico concerniente al estado del arte de esta tecnología.

Se logró la implementación de los modelos CAD de los

equipos basándose en modelos reales, especificaciones

técnicas y modelos prefabricados utilizando el software de

diseño Autodesk® Inventor y Blender para la importación a

formato compatible con Unity. Esta da complimiento al

segundo objetivo específico de Implementar los equipos e

instrumentos críticos en CAD basado en los planos de un

modelo real.

El sistema de reconocimiento de imágenes conocidas como

marcadores y la asociación de estos con los modelos CAD es la forma que emplea la aplicación para su funcionamiento.

Estos marcadores se diseñaron a partir de imágenes reales de

los modelos CAD y bajo las características de tamaño y

formato requeridas por Unity dando cumplimento al objetivo

específico 3.

Se realizó la validación de la aplicación diseñada

comprobando su funcionamiento en campo dentro de la

PTAR escaneando los equipos y verificando la visualización

de modelos 3D y la información relacionada.

Con el cumplimiento de los objetivos específicos

propuestos se logró el diseño y desarrollo de una aplicación

basada en realidad aumentada de entrenamiento para el área de mantenimiento electromecánico en la planta de

tratamiento de aguas residuales el salitre fase 1.

Actualmente la industria está sumergida en la cuarta

revolución llamada también industria 4.0, que tiene como

objetivo mejorar la productividad, eficiencia, calidad y

seguridad de los procesos. La realidad aumentada ofrece la

comunicación y la conexión de los recursos implicados como

el sistema se supervisión SCADA y sistemas de planificación

como el SAP, permitiendo de esta forma la monitorización

de los estados de los equipos, stock de repuestos, estado y

avance de los mantenimientos programados o requeridos en tiempo real de forma interactiva.

Por todo lo anterior es importante dejar plasmado en este

paper la viabilidad de ejecutar una segunda fase del presente

proyecto enfocado en comunicar la realidad aumentada para

todos los equipos y/o máquinas de la PTAR Salitre con el

sistema SCADA para facilitar los procesos de capacitación,

el entrenamiento de operarios y la posibilidad de visualizar

en tiempo real los escenarios nivel “0” que se presentan en

campo pero proyectados en un nivel “3” de supervisión en

la pirámide de la industria 4.0.

REFERENCIAS

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Segunda edición. España. Bubok publishing S.L. 2012. [2] P. I. Moreno Cuéllar, Oportunidades de la Realidad

Aumentada en el Mantenimiento Industrial. Centro de Producción de Contenidos Digitales. 2018.

[3] C. K. García Escobedo, aplicación de la realidad aumentada al mantenimiento de maquinaria industrial de cinco ejes: una integración tecnológica, tesis, Facultad de Ingeniería y Tecnología, U. Montemorelos, Nuevo León México, 2015.

[4] F.J. Lacueva Pérez, M.A Gracia Bandrés, L.M. Sanagustín Grasa, C. González Muñoz, D. Romero San Martín, Análisis Realidad Aumentada para entornos Industriales. TecsMedia, 2015.

[5] C. Alcarria Izquierdo, (2010). Desarrollo de un sistema de Realidad Aumentada en dispositivos móviles, proyecto final de carrera, Universidad Politécnica de Valencia, Esc. Técn. Sup. Ing. Informática (ETSINF), Valencia, 2010.

[6] Unknown, 18 Mayo de 2017, GreenV: Unity, motores gráficos

[7] D.Eroza G. 10 junio 2019, Qué es Unity y características principales I Open Webinars

[8] P. Appleton, P Cooper 17 de Diciembre de 2018 Realidad Aumentada Rápida y Fácil.

[9] K.Terán Korowajczenko 2012, Realidad Aumentada sus Desafíos y aplicaciones para el E-Learning.

[10] CAR 2011 Adecuación Hidráulica y recuperación Ambiental Río Bogotá

[11] Vuforia 24 de enero 2020 Vuforia Developer