Los vehículos terrestres no tripulados son considerados máquinas semi autónomas o autónomas que realizan operaciones complejas de transporte y monitoreo de variables físicas y ambientales; por mencionar algunas. Estos vehículos permiten personalizar, optimizar y dar flexibilidad a las demandas y desafíos de innovación en múltiples campos de aplicación en la industria como cartografía, agricultura, seguridad, minería, telemetría, militar, geociencia, ambiental y logística; por tanto, creemos que consolidar la información científica publicada alrededor de este tema permite a los lectores comprender las conexiones entre los diferentes enfoques, aplicaciones y tecnologías habilitadoras para determinar el rumbo al cual desean llevar su investigación; y, al mismo tiempo, promover más debates sobre la fusión de la robótica móvil en las aplicaciones de internet de las cosas que están emergiendo en la industrial actual. En este artículo se implementó la herramienta web “Tree of Science” y la Revisión Sistemática para el análisis de la información.

Los vehículos terrestres no tripulados (en inglés, Unmanned Ground Vehicle – UGV) son estructuras móviles que incorporan sensores y sistemas de control, considerados como sistemas embebidos con la capacidad de incorporar variedad de algoritmos programables que permiten adaptarse a diversas técnicas de automatización de procesos, control e instrumentación. Se consideran máquinas que realizan operaciones complejas de transporte, detección de variables físicas y ambientales, trazado de rutas, monitoreo y logística, por mencionar algunas. Estos vehículos en la literatura son nombrados también como robots móviles, vehículos autónomos no tripulados (en inglés, Autonomous Ground Vehicle – AGV) o vehículos guiados automatizados (en inglés, Automated Guide Vehicle – AGV) [1]–[3].

Los UGV’s empezaron a desarrollarse a partir de la década de los 90’s, reportando un creciente interés y aceptación en diferentes áreas de investigación. A comienzos del siglo XXI comenzaron a implementarse en sectores como: cartografía, en el cual existe una variedad de métodos para su aplicación, algunos ejemplos de esto son [4] que utiliza el método de coincidencia de escaneo ICP con extrapolación de odometría para solucionar el problema de localización y mapeo simultáneo y, [5] que utiliza la técnica de segmentación por umbralización binaria para orientar y localizar el UGV. Otro sector es la agricultura, en el cual [6] emplea un sistema de sensores integrados a un UGV con el objetivo de medir humedad y temperatura en un invernadero; milicia, [7] implementa un kit de automatización en un vehículo militar para cumplir misiones de vigilancia y navegación por teleoperación. En el sector forestal, [8] desarrolla un UGV que trabaja en con-junto con un vehículo aéreo no tripulado para la detección de incendios en zonas forestales. Estas aplicaciones mejoran significativamente la seguridad y eficiencia en tareas que conlleven riesgo y su inclusión en la industria aumenta la calidad de los procesos considerando la cantidad de datos que pueden tomar y analizar, permitiendo una optimización de recursos [9]–[11].

⁠En este contexto, todo investigador que desee incursionar en el desarrollo o implementación de UGV's requiere un estudio previo de conocimientos científicos que integre las técnicas y tecnologías involucradas en estos prototipos teniendo en cuenta la configuración, los esquemas de control y la instrumentación de recolección de datos que utilizan; con el objetivo de conocer los enfoques y determinar el rumbo de su investigación [12]. Por lo tanto, cobra importancia la realización de artículos de revisión que proporcionen información sobre un tema específico, expongan la evidencia disponible con estadísticos de importancia, den respuestas a preguntas y sugieran futuras áreas de investigación [13]⁠. Para ello, se implementa la herramienta Web “Tree of Science” y la técnica de recopilación de información revisión sistemática para realizar una búsqueda en diferentes bases de datos.

⁠⁠⁠⁠⁠⁠Por lo tanto, esta investigación desarrolla un análisis detallado de la literatura presente en la construcción e implementación de los UGV’s, considerando las tecnologías empleadas y los resultados alcanzados hasta la fecha. A continuación, se presenta la metodología para la búsqueda y selección de artículos, junto con el análisis de los resultados más relevantes obtenidos.

Se implementa la técnica de revisión sistemática con el objetivo de realizar una evaluación de los resultados, analizar la importancia de las publicaciones encontradas y eliminar aquellas que no contengan aportes importantes para la revisión; finalmente se presentan los resultados obtenidos de forma clara y detallada [14]–[16]. Esta técnica requiere de una ecuación de búsqueda que permita realizar una revisión detallada y especifica del área de investigación. Para ello se realiza una búsqueda general a través de la herramienta web Tree of Science, la cual se basa en el análisis de redes de citación y se utiliza para clasificar artículos científicos, distribuyendo sus resultados en tres grupos: raíz, que contiene publicaciones que sustentan el área de conocimiento de la investigación y generalmente son los más antiguos; tronco, que contiene publicaciones que dan estructura del área de estudio, en concreto, sus investigaciones exploran a profundidad el tema que con el tiempo se han convertido en referentes; y hojas, que contiene publicaciones que están en la frontera del conocimiento en el área, es decir, las investigaciones más recientes [17]–[20]. Para el uso de la herramienta se utiliza la ecuación de búsqueda “Unmanned ground vehicle” AND application NOT aerial.

Observando los resultados obtenidos en la herramienta ToS se encontró que los vehículos terrestres no tripulados cuentan con diversas terminologías en la literatura y, además, son aplicados en diversos sectores de la industria. Tomando lo anterior como base, se construye la ecuación de búsqueda (“Unmanned Ground Vehicle” OR UGV OR “Autonomous Ground Vehicle” OR “Mobile Robot”) AND (Agriculture OR Farming OR Agricultural OR Mining OR Soil OR Military OR Environmental OR Mapping OR Forest OR Security OR Logistic OR Telemetry) para aplicar la técnica de revisión sistemática.

Finalmente, se seleccionaron 73 artículos en total para analizar las aplicaciones de los UGV en la industria, eliminando inicialmente aquellos que no tienen DOI (Digital Object Identifier), luego los artículos que se encuentran duplicados y finalmente se filtraron al leer el resumen evaluando su pertinencia.

Este apartado se divide en dos partes: la primera presenta un análisis basado en la herramienta ToS y la segunda basado en la revisión sistemática.

Presenta las distribuciones del árbol de la ciencia identificando el tópico, obteniendo tres clasificaciones: desplazamiento, diseño y aplicaciones. Esta última se distribuye en las áreas de cartografía, ambiental, telemetría, minería, agricultura y logística.

La Figura 1 representa el porcentaje de participación de cada tópico y área de aplicación en la distribución de raíz.

La raíz del ToS se enfoca en publicaciones que desarrollan el desplazamiento del UGV, esto se debe a que inicialmente las tecnologías presentes no cumplían con los requerimientos de los vehículos, por lo tanto, comenzaron a desarrollarse nuevos algoritmos que permitieran el desplazamiento en un espacio no habitado sin intervención humana y al mismo tiempo realizar tareas preestablecidas empleando un control lógico basado en máquinas de estado finita [21].

Los UGV’s inicialmente se aplicaron en cartografía para la realización de mapas del terreno por los cuales circula el vehículo para mejorar el desplazamiento y la localización del mismo, un ejemplo de ello es [22] que describe una mejora al algoritmo de localización y mapeo simultáneos (en inglés, Simultaneous Localization and Mapping – SLAM) que transita en el exterior en una ubicación desconocida, construye un mapa y calcula su ubicación en el mismo.

La Figura 2 muestra la disposición por tópico en el tronco del ToS.

Los resultados porcentuales del tronco del ToS permiten inferir que la participación por aplicación aumenta un 16% respecto al grupo anterior, dado que esta sección se enfoca en artículos de estructura detallada. Además, los avances tecnológicos realizados en las investigaciones permiten desarrollar nuevas técnicas como en [23] que diseñan un UGV controlado por un operador con la finalidad de tomar muestras del suelo que contengan desechos de los procesos implementados en la minería.

De igual manera, se presenta un 40% en el tópico de desplazamiento, debido a que el constante desarrollo tecnológico obliga a los investigadores a mejorar sus procesos, dicho lo anterior, [24] implementan campos potenciales para la navegación a alta velocidad del UGV en terrenos irregulares, realizando inicialmente simulaciones con variedad de casos que se pueden presentar en su recorrido y finalmente aplican las trayectorias obteniendo resultados eficientes tanto simulados como experimentales.

Por último, la Figura 3 representa la división en porcentaje para la sección de la hoja del ToS.

⁠⁠En la hoja se observa que las publicaciones en las investigaciones de desplazamiento respecto al tronco aumenta en un 3%, dado que la optimización de algoritmos y crecimiento de tecnologías en este tópico es importante para los UGV’s, esto permite que el vehículo realice correcciones en las trayectorias de desplazamiento como lo hace [25] que implementa un sistema de odometría visual por medio de procesamiento de imágenes enfocado en la correlación cruzada, a fin de calcular la posición de un objeto y la ubicación del vehículo empleado en la agricultura, más específicamente en cultivos que se encuentran encerrados por barricadas de hierro, eliminando la opción de utilizar Sistema de Posicionamiento Global (en inglés, Global Position System – GPS) dado que la señal se verá afectada por los errores que presenta esta tecnología.

Al finalizar la selección y clasificación utilizando la técnica de ToS, se integran las publicaciones de aplicaciones encontradas en raíz, tronco y hoja, con el objetivo de observar la implementación de los UGV’s en las diferentes áreas. La Fig. 8, representa la cantidad de artículos obtenidos por cada aplicación dando un total de 23 publicaciones, donde un 39% son aplicados en cartografía, siendo el área más estudiada, seguida por telemetría con 30%, logística con 13%, agricultura con 8%, y minería y ambiental con un 5% cada una.

Lo anterior muestra que los mayores avances en esta área de estudio se dan en los sectores cartografía y telemetría; por lo tanto, un investigador que desee generar nuevo conocimiento en el tema de UGV’s puede enfocarse en otros campos donde se requiere más análisis y exploración.

Este proceso se basa en el interrogante ¿Cuáles son las aplicaciones que implementan los UGV’s?, teniendo en cuenta la clasificación de cada una de las aplicaciones obtenidas en la técnica de ToS. La Figura 4 presenta la organización cronológica de los artículos seleccionados en la herramienta ToS y en la técnica revisión sistemática, los cuales están clasificados como desplazamiento, diseño y aplicación, teniendo en cuenta el enfoque de cada investigación.

En la Figura 4 se puede observar que, inicialmente, las investigaciones se enfocan en el diseño y desplazamiento del UGV, debido al poco desarrollo que tenía esta área de investigación, gracias a esto, la implementación de estos vehículos en aplicaciones específicas comienza a tener mayor participación en los últimos 15 años, además, el crecimiento tecnológico en este periodo ha permitido optimizar los dispositivos electrónicos y mejorar la calidad de los procesos. Por último, es importante resaltar que los artículos de diseño que se encuentran reflejados en la Figura 4 no están enfocados a diseño general de robótica móvil, sino a necesidades particulares en la aplicación que participaron.

La Figura 5 demuestra la cantidad de artículos seleccionados por aplicación acoplando los diferentes nombres del vehículo.

A continuación, se realiza la descripción respectiva de los artículos seleccionados por aplicación.

En el ámbito de la geociencia se considera la aplicación de UGV’s para conocer condiciones del suelo, donde la mayoría de las investigaciones se enfocan en recolección de muestras del mismo. En la Tabla 1 se pueden observar algunos de los autores.

La implementación de UGV’s en el ámbito forestal se ha realizado principalmente en planificadores de ruta en entornos complejos como bosques y senderos. Con el objetivo de solucionar los problemas que presentan los vehículos, las investigaciones comienzan su desarrollo conociendo la posición del vehículo mediante GPS y Unidad de Medición Inercial (en inglés, Inertial Measurement Unit – IMU), teniendo en cuenta lo anterior en la Tabla 2 se describen algunos de los autores.

El envío de datos recolectados por UGV’s ha mejorado sus procesos con el desarrollo de las redes de comunicación móviles 2G, 3G y 4G. Por otra parte, telemetría también es importante el monitoreo y control remoto, es por esto que los vehículos incorporan cámaras de alta resolución que le permiten al supervisor verificar su correcto funcionamiento. La Tabla 3 se describen diferentes autores que implementan sus investigaciones en Telemetría.

La inspección y reconocimiento de minas subterráneas es la principal aplicación de los UGV’s en el campo de la minería, las investigaciones desarrollan prototipos controlados remotamente por personas mediante teleoperación, con el fin de prevenir riesgos a los que se pueda exponer un trabajador realizando estas tareas. A continuación, se exponen en la Tabla 4 algunas investigaciones enfocadas en la aplicación de Minería.

Los UGV’s en el ámbito militar tienen aplicaciones muy diversas, demostrando las múltiples tareas que pueden cumplir dependiendo de la función a la cual son asignados; también se encuentran las misiones como vigilancia perímetro y circulación en convoyes. En la Tabla 5 se observar investigaciones que abarcan está aplicación.

Las principales funciones que efectúan los UGV’s en el campo de la logística son enrutamiento, automatización de procesos, misiones de reconocimientos y seguridad. Para cumplir con estos objetivos las investigaciones realizan diferentes tipos de sistemas en conjunto, además otro papel que desempeñan es el transporte de cargas y productos en las fábricas industriales. A continuación, en la Tabla 6 se describen investigaciones que se enfocan en la implementación de los UGV’s en logística.

El principal enfoque que presentan las investigaciones en la aplicación seguridad es implementar los UGV’s como dispositivos de patrulla y vigilancia en interiores, en concreto utilizan cámaras tipo Dispositivo de Carga Acoplada (en inglés, Charge Couple Device – CCD) y sensores ultrasónicos. En la Tabla 7 se exponen investigaciones que abarcan está aplicación.

Los UGV’s en el sector ambiental se implementan para cumplir dos objetivos: clasificación de imágenes tomadas del entorno y monitoreo ambiental. A continuación, en la Tabla 8 se describen investigaciones que se enfocan en la implementación de los UGV’s en ambiental.

En el sector de agricultura las principales investigaciones se enfocan en la implementación de los UGV’s para realizar mediciones de variables físicas, sistema de riego y siembra de semillas, la identificación de malezas en los cultivos y por último la toma de muestras del suelo en los cultivos que resulta ser importante para los agricultores, debido a que permiten monitorear y controlar los nutrientes, la composición y el Ph del suelo. También se encuentra los sistemas de pulverizar las plantas y repeler insectos en el campo a fin de mejorar las condiciones del cultivo, pero resulta ser riesgoso para los seres humanos, en consecuencia, a esto implementan los UVG’s. En la Tabla 9 se exponen investigaciones que abarcan está aplicación.

En el sector de cartografía resalta la implementación de dispositivos laser en los UGV’s, para ser más específicos sistemas basados en LIDAR, los cuales se complementan con otras tecnologías como IMU [74], [75], GPS [76] y SLAM [22], [77]–[79] para la construcción de mapas 2D o 3D. De igual modo, en los sistemas LIDAR se implementan los sensores laser LIDAR: HDL-64E Velodyne junto a las cámaras Firefly de 6 puntos y el NovAtel SPAN INS GPS/IMU [80].A continuación, en la Tabla 10 se describen investigaciones que se enfocan en la implementación de los UGV’s en cartografía.

En la Figura 6 se detallan las tecnologías acopladas al UGV teniendo en cuenta cada una de las aplicaciones mencionadas anteriormente.

Es interesante ver la variedad de componentes que son adaptados a los UGV para cumplir tareas específicas en cada una de las aplicaciones en que son usados; esto es un claro ejemplo de la versatilidad con la que cuenta la robótica móvil para ser implementada en casi cualquier campo de las industrias como se muestra en la figura 6. Es importante resaltar que los componentes de funcionamiento tecnológicos básicos están conformados por un controlador que hará las funciones de procesamiento de toda la información captada en el entorno por el UGV, siendo su elección de gran importancia; por otra parte, un sistema de sensores cuya selección dependerá de los propósitos del UGV en el escenario de aplicación; y finalmente, los sistemas de comunicación, que comúnmente suele ser inalámbrico, para transmitir los datos a una estación base y ser analizados por los expertos detrás del proceso; cabe señalar que todo el sistema móvil es dependiente de una fuente de alimentación portátil como las baterías. Sin embargo, el espectro tecnológico que puede sumar a las capacidades de los UGV es muy variado; por lo tanto, la selección de los demás elementos dependerá mucho de los propósitos específicos de cada aplicación como se describe en la figura 6.

Este artículo presenta una revisión de los UGV’s en los diversos sectores donde son aplicados, así como las tecnologías y técnicas empleadas para la construcción y funcionamiento de los mismos. Los resultados muestran que la herramienta ToS y la técnica revisión sistemática permiten una búsqueda completa de las publicaciones referentes al tema de investigación, no obstante, la variedad de términos que reciben los UGV’s en la literatura, aumentan el rango de búsqueda y dificultan el proceso de selección y clasificación. Finalmente se resalta que la información en aplicaciones como militar y forestal es limitada reflejando una oportunidad de desarrollo.

La aplicación con mayor cantidad de publicaciones es cartografía con un 25%, debido a que, por medio de la realización de mapas es posible optimizar procesos complejos para los humanos como el reconocimiento de entornos de difícil acceso o de alto riesgo como minas subterráneas y edificios inestables; por otra parte, los investigadores que deseen incursionar en este sector cuentan con gran cantidad de avances, procesos, algoritmos y tecnologías para desarrollar sus proyecto, posibilitando el alcance de los resultados esperados.

La aplicación militar obtiene el porcentaje más bajo de artículos con un 4%, debido a que, de las 16 publicaciones encontradas en esta área, el 81% se enfocan en el diseño y desplazamiento del UGV, considerando únicamente la movilidad autónoma del vehículo sin intervención humana, es por esto que fueron descartados en el proceso de selección y clasificación resultando en un total de 3 investigaciones consideradas para la revisión.

En cuanto a la tecnología presente en los UGV’s, el 25.7% implementan módulo GPS en el UGV, donde el 6.7% es empleado en cartografía para obtener la ubicación del vehículo al momento de construir los mapas de la zona y mejorar la precisión de los resultados, el 5.4% en agricultura, para conocer la localización de las mediciones tomadas, facilitando al agricultor trasladarse al punto del cultivo donde se presente una anomalía y optimizar los tiempos de trabajo, 4% es utilizado en forestal, 2.7% en minería y telemetría, y finalmente 1.4% en ambiental, militar y geociencia. Así mismo, el algoritmo SLAM es empleado en 13.5% de las investigaciones para el mapeo y localización del vehículo. Por otra parte, aunque las publicaciones se enfocaban estrictamente en la aplicación del UGV, algunas de ellas describían la tecnología que implementaban para la navegación del vehículo, obteniendo así un 13.5% que utilizan sistemas IMU para controlar la velocidad, orientación y fuerza del mismo.

Por otra parte, la tecnología basada en laser o LIDAR es la más utilizada para la realización de mapas y detección de obstáculos con un 50%, de allí 15% de los autores seleccionan sensores de la clase telémetro y 9% escáner laser y dispositivos de la marca Velodyne, el 17% restante no especifican el tipo de sensor utilizado.

Finalmente, al analizar los microcontroladores que implementan cada una de las aplicaciones, se encontró que agricultura es la que más los utiliza, en concreto 72% de las investigaciones en esta área los consideran relevantes, esto se debe a que cuentan con los protocolos de comunicación necesarios para la construcción de sistemas de medición que requieren realizar el procesamiento de los datos adquiridos por los sensores para el monitoreo y control; en cuanto a los dispositivos empleados, el 62% utilizan el microcontrolador en las placas Arduino y el 38% desarrollan el hardware únicamente con el microcontrolador, tales como Robovero, LPC1769, ATMEGA328P y S3C2440.