DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN VEHÍCULO DE GUIADO AUTÓNOMO

PARA LA UBICACIÓN DE LIBROS EN UN AMBIENTE CONTROLADO

EVANY RICARDO SEPÚLVEDA GÓMEZ

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL MEDELLÍN

FACULTAD DE INGENIERÍAS

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

MEDELLIN

2014

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN VEHÍCULO DE GUIADO AUTÓNOMO

PARA LA UBICACIÓN DE LIBROS EN UN AMBIENTE CONTROLADO

EVANY RICARDO SEPÚLVEDA GÓMEZ

Proyecto presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico

Asesor

Gustavo Adolfo Meneses Benavides

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL MEDELLÍN

FACULTAD DE INGENIERÍAS

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

MEDELLIN

2014

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4

2. OBJETIVOS ........................................................................................................ 6

3. ESTADO DEL ARTE ........................................................................................... 7

4. MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 17

5. DISEÑO MECATRÓNICO DEL AGV ................................................................ 21

SISTEMA DE DESPLAZAMIENTO DEL AGV ................................................................. 22

SISTEMA DE RECOLECCIÓN Y UBICACIÓN DE LOS LIBROS ........................................... 24

SISTEMAS DE CONTROL Y AUTONOMÍA ..................................................................... 25

SUBSISTEMA DE SUMINISTRO DE ENERGÍA ............................................................... 26

6. ASPECTOS DE PROGRAMACIÓN .................................................................. 29

7. DISEÑO EN EAGLE DE LA TARJETA ELECTRÓNICA (PCB) ....................... 36

8. FOTOS DE LAS TARJETAS ELECTRÓNICAS CON COMPONENTES

ENSAMBLADOS ................................................................................................... 42

9. FOTOS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS Y LOS RESULTADOS

OBTENIDOS CON LA TARJETA EN FUNCIONAMIENTO .................................. 45

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................. 48

LISTA DE TABLAS ............................................................................................... 50

TRABAJOS CITADOS .......................................................................................... 51

RECONOCIMIENTO .............................................................................................. 54

4

1. INTRODUCCIÓN

La presente investigación surge debido al interés de controlar y automatizar

diversos procesos que se llevan a cabo diariamente en una biblioteca, como el de

ubicación y recolección de los libros; este es realizado generalmente por personas

y debido a que es un proceso repetitivo puede generar inconsistencias y errores,

es por ello que se abarca un proyecto que es el diseño mecatrónico para un

vehículo de guiado autónomo que cumpla con el objetivo de resolver la

problemática planteada previamente.

La importancia del proyecto radica en el beneficio de explotar la funcionalidad de

un robot en trabajos que son pesados y repetitivos, buscando aprovechar el

pensamiento y la racionalidad humana en otras labores que demanden ingenio y

aporten al crecimiento de la sociedad, una sociedad que cada vez se degrada más

ante una inminente globalización.

Mediante la realización del proyecto se generará un impacto innovador en las

bibliotecas nacionales, puesto que se aprovecha la tecnología que se utiliza

actualmente en algunos países del mundo y se convierte en una biblioteca que

pueda dar un manejo manera más ágil al inventario de libros. “En 2015 un cliente

de biblioteca podrá: Buscar en el catálogo de la biblioteca y ver completos

recursos en línea de los textos, la tecnología móvil y la identificación por

radiofrecuencia (RFID) le ayudarán a los clientes en localización de recursos

seleccionados en el estante, la tecnología de Sistema de Posicionamiento Global

(GPS) permitirá a los clientes identificar amigos o compañeros de trabajo que

están en la biblioteca y unirse a una sesión de estudio en grupo” [1].

Se puede observar la importancia que la robótica ha tenido a través de los años,

por medio de sus muchas aplicaciones e importantes avances que se han

desarrollado en las industrias; y el buen aprovechamiento que se le ha dado,

gracias a que se han implementado en áreas donde ejercen tareas repetitivas y

peligrosas para la actividad humana.

Industrialmente se observan diferentes tipos de aplicaciones asociadas a tareas

realizadas por robots. Es importante anotar el desempeño que juegan los robots

industriales en su configuración cartesiana, debido a las tareas que realizan y en

los distintos sitios o lugares en los que se desenvuelven. Algunas de las

principales aplicaciones que realizan son: Ensamble y soldadura de piezas,

recubrimiento y aplicación de pintura, almacenamiento de carga y descarga de

objetos, fabricación de piezas torneadas, entre otras.

5

El trabajo mancomunado de hombre y máquina ha contribuido en el desarrollo de

las industrias, ya que, uniendo esfuerzos se logran trabajos con eficiencia y

eficacia. Esta observación se puede hacer desde cualquier punto de vista, ya sea

desde el ahorro de materia prima, costos y tiempo, o desde el punto de vista

ambiental logrando producciones más limpias; además, el sustento que ha

encontrado el hombre en la máquina también ha tocado puntos de la salud, pues

la utilización de robots para el manejo y transporte de objetos pesados, la

manipulación de objetos que requieran ser intervenidos en altas temperaturas o el

contacto con objetos radioactivos o tóxicos ha disminuido muchos de los

accidentes industriales.

El Vehículo de Guiado Autónomo (AGV) para la ubicación de libros en un espacio

controlado es un proyecto concebido para automatizar el proceso de

caracterización, categorización, referenciación y ubicación de libros en un

ambiente de prueba con condiciones controladas; “un sistema automatizado de

almacenamiento y sistema de recuperación que consiste de pasillos entre filas de

tramas que contienen estantes con libros, cada uno referenciado por un

identificador que reconoce la memoria del robot” [2]; algo que se constituye en

una oportunidad para desarrollar un prototipo de AGV que puede fácilmente ser

migrado a entornos industriales para procesos automatizados. Durante el

desarrollo del proyecto se ha pasado por las siguientes etapas: establecimiento de

la fundamentación teórica y del estado del arte, definición de los requerimientos

de diseño para la fabricación del prototipo, selección de materiales según las

condiciones físicas y mecánicas del mismo, análisis, diseño y simulación de las

características técnicas del brazo robótico y de su mecanismo director, definición

de los procesos metodológicos de la ingeniería del software para dar solución a

los requerimientos de servicio, diseño y prototipado de las tarjetas de circuito

impreso para los subsistemas del AGV y la realización de etapas de montaje y

pruebas piloto para el análisis de resultados.

6

2. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Diseñar e implementar un modelo de Vehículo de Guiado Autónomo –AGV- que

cumpla con el proceso de transportar y ubicar libros en un lugar designado,

basado en tecnologías de radiofrecuencia.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Diseñar los elementos mecánicos del AGV, que sirvan para el transporte y

ubicación de libros en un ambiente controlado.

• Diseñar e implementar la tarjeta de recepción del robot.

• Diseñar e implementar la tarjeta de transmisión del robot.

• Diseñar e implementar la tarjeta sensórica del robot.

7

3. ESTADO DEL ARTE

Para la elaboración del estado del arte del proyecto se han tenido en cuenta importantes interrogantes resueltos a continuación: ¿A qué público o mercado está dirigido? El prototipo de Vehículo Guiado Autónomamente que se desarrollará en este

proyecto tiene como fin específico inicial la utilización para la recolección y

ubicación de libros de manera automática en un ambiente controlado que emule

las condiciones de una biblioteca. Los usuarios principales de este desarrollo

tecnológico serán los empleados bibliotecarios encargados de interactuar con el

sistema.

No obstante, dada su concepción y funcionalidad operativa, el desarrollo

propuesto podrá ser exportado para aplicaciones en campos industriales donde su

aplicación es recurrente.

Los vehículos guiados autónomamente, están diseñados para desempeñarse en

la industria en general, teniendo mayor incidencia en los siguientes campos:

Industria pesada: Utiliza fábricas enormes en las que se trabaja con grandes

cantidades de materia prima y de energía.

Siderúrgicas: Transforman el hierro en acero.

Metalúrgicas: Trabajan con otros metales diferentes al hierro ya sea cobre,

aluminio, etc.

Cementeras: Fabrican cemento y hormigón a partir de las llamadas rocas

industriales.

Químicas de base: Producen ácidos, fertilizantes, explosivos, pinturas y otras

sustancias.

Petroquímicas: Elabora plásticos y combustibles.

Industria ligera: Transforma materias primas en bruto o semielaboradas en

productos que se destinan directamente al consumo de las personas y de las

empresas de servicios.

Alimentación: Utiliza productos agrícolas, pesqueros y ganaderos para fabricar

bebidas, conservas, etc.

http://es.wikipedia.org/wiki/Industria_pesadahttp://es.wikipedia.org/wiki/Siderurgiahttp://es.wikipedia.org/wiki/Cementerahttp://es.wikipedia.org/wiki/Industria_qu%C3%ADmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Petroquimicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Industria_ligerahttp://es.wikipedia.org/wiki/Industria_alimentaria

8

Textil: Fabrica tejidos y confecciona ropa a partir de fibras vegetales, como el lino

y el algodón, y fibras animales como la lana y sintéticas como el nailon y el

poliéster.

Usos controlados:

El tipo de robot más usual es el robot clasificador, llamado así porque su tarea

básica es identificar y distribuir los documentos que le llegan en categorías. Dentro

de esta tipología contamos con tres modelos diferentes de robots clasificadores

[3]:

1. Los robots suecos Tor, fabricados por Axiell, instalados en muchas bibliotecas

nórdicas, por ejemplo Aalborg y Silkeborg (Dinamarca).

2. Los robots norteamericanos fabricados por Tech-Logic instalados en muchas

bibliotecas americanas.

3. Los robots industriales comunes que se adaptan a los usos bibliotecarios

(como, por ejemplo, en Malmö, Suecia).

Estos robots identifican los códigos de barras o etiquetas RFID y distribuyen los

documentos según categorías, pero no suplen totalmente al personal auxiliar.

Mucho más ambiciosos son los nuevos prototipos diseñados por grupos de

investigación, como los concebidos por el grupo de la universidad de Tsukubuka

en Japón (1999), o el de la universidad de Valparaíso en Indiana, Estados Unidos

[4].

¿Cómo funcionan?

Los Vehículos Guiados Autónomamente (AGV por sus siglas en inglés) son

auténticos robots de transporte. Constituidos por una plataforma autopropulsada

eléctricamente y auto-guiada, no necesitan de la manipulación humana directa

para realizar sus trabajos de transporte. Sin más que designar espacios dedicados

para las estaciones de carga y descarga, pueden realizar los trayectos por

corredores, pasillos y ascensores de manera compatible con el resto de personas

que circulan por el edificio, gracias a sus rigurosas medidas de seguridad.

Un AGV precisa de una realimentación sensorial para moverse, que le informe si

va por buen camino, si va a chocar con algo o alguien, o qué es lo que tiene

delante Si bien existen unos cuantos modelos de guiado estándar, En una factoría

industrial, un AGV sigue usualmente una trayectoria prefijada, de forma que sólo

ha de asegurarse de no salirse del camino y no chocar con nada. Normalmente se

http://es.wikipedia.org/wiki/Industria_textil

9

le ordena que vaya del punto A al punto B y se le deja hacer. Cuando hay más de

un AGV, la gestión del tráfico se realiza, o bien con semáforos (fototransistores), o

bien una unidad de control se encarga de tener localizados a todos los AGV’s y

mandarles órdenes en el momento oportuno. Cuando no existe una guía o

trayectoria prefijada, la sensorización es más compleja. Mediante cámaras o

herramientas de software, un operador humano le dice al robot dónde tiene que ir

y qué es lo que tiene que hacer.

¿Qué tecnologías utilizan?

Existen en la actualidad diversas tecnologías de guiado para los AGV’s:

Dirección por cables enterrados (Sistema filo-guiado, RGV): Se trata de vehículos

que siguen el recorrido de un cable eléctrico enterrado en el pavimento de la nave

industrial. Los sensores del vehículo determinan su posición y detectan el

recorrido a seguir gracias al campo electromagnético generado por el cable

“guía”. Se trata de una tecnología de bajo costo y de buena precisión pero cada

modificación del trazado, incluso de pequeña magnitud, comporta trabajos de

ingeniería civil relativos al pavimento. Otra de sus desventajas radica en la

relativamente lenta velocidad de avance de los vehículos: en efecto, una alta

velocidad de desplazamiento podría provocar la pérdida de la ruta puesto que este

sistema es sensible incluso a las asperezas del pavimento.

Dirección por guiado magnético: Se instalan imanes uniformemente distanciados a

una cierta profundidad en el pavimento para determinar el trazado que los

vehículos han de seguir. Una serie de sensores lineales permite al vehículo

conocer su posición cada vez que transita en las proximidades de los imanes. Una

de las desventajas de este tipo de sistema es que el desplazamiento del vehículo

entre dos imanes consecutivos se realiza “a ciegas”, es decir, sin conocer con

exactitud la posición del AGV, que transita siguiendo la ruta calculada a partir de la

última detección de posición. Al igual que con los RGV’s, en caso de requerirse

modificaciones del trazado deben realizarse trabajos de ingeniería civil relativos al

pavimento para desmontar y desplazar las estructuras ancladas que soportan los

imanes. Otra de sus desventajas es la escasa precisión del recorrido puesto que el

vehículo corregirá su posición sólo en las proximidades de los imanes detectados.

Dirección por guiado magnético con giróscopo: La instalación de un giróscopo en

los vehículos de guiado magnético mejora la precisión del trazado: al medir la

variación angular del recorrido entre dos imanes contiguos el vehículo puede

conocer la dirección del desplazamiento. Salvo por su mayor precisión relativa,

10

este tipo de vehículos presenta todas las demás desventajas del sistema de

guiado magnético.

Dirección por sistema de guiado láser (LGV): Gracias a diversas características

particulares, los LGV’s garantizan una gran precisión, una considerable flexibilidad

operativa y altas velocidades. La posición del vehículo se calcula 8 veces por

segundo: el sensor láser instalado en el mismo es capaz de determinar la posición

de la lanzadera con un error de pocos milímetros detectando los rayos reflejados

por los componentes catadióptricos instalados en las paredes de la nave industrial.

Los LGV’s pueden desplazarse a velocidades elevadas debido a que no están

vinculados a estructuras fijadas a tierra.

¿Quién los fabrica?

En el momento no hay empresas que desarrollen AGV´s con especificaciones

directas al uso en bibliotecas, ya que en Colombia es baja la producción de este

tipo de dispositivos y en los en que se aplican, su enfoque ha sido direccionado

al uso en ambientes industriales, y por ende con características propias para

estos.

Sin embargo, a nivel internacional, se pueden mencionar entre otras:

RMT Robotics Fundada en 1981 cerca a Toronto, Canada.

(http://www.rmtrobotics.com/about.html)

MobileRobots Inc. Es una empresa de 12 años de edad, que diseña y fabrica

robots móviles y software para robots móviles y sistemas de control. La compañía

ha vendido miles de robots móviles en todo el mundo. Los clientes incluyen a

Amgen, HP, Intel, John Deere, Lockheed Martin, Microsoft, Ejército de los EE.UU.,

Marina de los EE.UU., y así sucesivamente.

AGV Electronics es un fabricante de controles para Vehículos Orientados

Automáticamente, establecida en Gotemburgo, Suecia desde el año 1985. El

objetivo de la compañía es desarrollar, fabricar y comercializar sus controles para

AGV’s. La empresa también se abastece de diversos tipos de vehículos

automáticos completos, listos para instalar.

http://www.rmtrobotics.com/about.html

11

Otras compañías que proveen este tipo de tecnologías son:

Integrated Systems Design.

Dematic: Automated Library Systems (http://www.automatedlibrarysystems.com/).

FKI Logistex.

ASRSystems.

Remstar.

Viastore.

Tabla 1. Compañías que ofrecen tecnologías para AGV’s.

http://www.automatedlibrarysystems.com/

12

¿Cuánto cuestan?

Un sistema ASRS (Automated Storage and Retrieval System o Sistema

Automatizado de Carga y Descarga por sus siglas en inglés) con una capacidad

de 400,000 volúmenes (libros y equivalentes de libros) puede tener un costo

inicial de hasta un millón de dólares ($1’000.000 US), esta cifra incluye una banda

o sistema mecánica de entrega entre el ASRS y un gabinete o mesón de servicio

al público.

¿Donde los venden?

•BAMA: Esta empresa realiza el anteproyecto de acuerdo con el cliente, la oferta

técnico-económica, compras, planificación, fabricación y montaje de todos los

componentes eléctricos y mecánicos, asegurando un servicio post-venta

plenamente satisfactorio, a través de servicios "llave en mano". ELECTRÓNICA Y

MANTENIMIENTO BAMA es una sociedad creada en 1997 por antiguos técnicos

de PIANELLI & TRAVERSA ESPAÑOLA y expertos en manutención y logística

industrial con más de treinta años de experiencia en las áreas de Ingeniería

(mecánica, eléctrica y de software), fabricación, montaje y mantenimiento.

•ASTI (automatismo y sistemas de transporte interno, S.A.U.): Se encuentra en el

área de manutención, principalmente en el área de diseño y ejecución de

instalaciones automatizadas para el transporte y manipulación de todo tipo de

cargas. Cuenta con tres áreas ligadas a la logística interna que proporcionan

soluciones globales e integrales a todos sus clientes; éstas son: Sistema de

transporte y manutención, sistemas de AGVs, y sistemas informáticos.

•OCME: Proveedores de tecnología en el sector de los embalajes, además

proporcionan una logística interna de las plantas de producción, creando

soluciones a la vanguardia.

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¿Cumplen alguna norma técnica, ambiental o de seguridad?, ¿Cuál? ¿Son de obligatorio cumplimiento? ¿Están protegidos por algún registro o patente?

Método y sistema para describir, generar y verificar trayectorias de guía sin cable para vehículos guiados automáticos: Depósito en: México Solicitud: PA/a/1998/007110 Presentación: 02/09/1998 Tipo de Documento: Patente Concesión: 03/06/2003

Método y sistema para describir, generar y verificar trayectorias guía sin cablear para vehículos conducidos automáticamente: Depósito en: Argentina Resolución: 01/03/2004 Presentación: 28/08/1998 Notificación: 23/03/2004 Agente: 681 - Tipo: Desistida Forzosa Solicitud: PD016907 Carácter: Independiente

Proceso de transporte de vehículo autónomo a través de variables de ruta: Depósito en: Brasil Nº Patente: PI0706894-8A2 Clasificación: G01C 21/00 Dep. no INPI: 01/02/2007 WO: WO 2007/090181 de 09/08/2007 Fase Nacional: 30/07/2008 PCT: Número: US2007/061430 Data: 01/02/2007

Sistema de transporte de carga automático con el método de referencia cruzada: Depósito en: Brasil Puntos de vista: 219 No. de patente: PI0511407-1 Departamento en el INPI: 02/05/2005

Tabla 2. Normas técnicas patentadas para la elaboración de AGV’s.

¿Cuáles son los últimos avances en cuanto a las tecnologías identificadas?

En este proyecto se aplicarán avances tecnológicos de diferente índole, también

se han identificado algunos avances que podrían incorporarse al proyecto en fases

de mejora o en etapas posteriores, entre estos tenemos:

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La georeferenciación que está ligada al posicionamiento con el que se define la

ubicación de un objeto en un punto en el espacio, esta se utilizará para la

ubicación del Vehículo Guiado Autónomamente o AGV en nuestro ambiente

controlado.

El prototipado rápido que está relacionado con la manera más rápida de obtener

una réplica exacta tridimensional de un diseño generado mediante una aplicación

en 3D. Esto es importante para nuestra investigación debido a que se pueden

tener pruebas funcionales en la parte mecánica antes de que sean ensambladas

las piezas del prototipo y de que se podrá observar la funcionalidad del diseño y

de la factibilidad de su diseño.

Identificación por radiofrecuencia (RFID por sus siglas en inglés), es una

tecnología de identificación remota e inalámbrica en el cual un dispositivo lector

vinculado a un equipo de cómputo que se comunica a través de una antena a

través de ondas de radio, esta nos permitirá la fácil lectura e identificación de los

libros que se van a utilizar en nuestro ambiente controlado. Debido a las ventajas

que el RFID tiene sobre el código de barras se desea la aplicación de esta

tecnología en el proyecto.

Adelantos Tecnológicos

Identifique avances tecnológicos que puedan ser de relevancia para su proyecto,

que sean factibles de aplicar en el desarrollo de su producto para obtener los

resultados esperados.

• Técnicas avanzadas de prototipado rápido como escaners e impresoras

3D

• Microcontroladores de consumo extremadamente reducido de energía

(eXtreme Low Power-XLP)

• Diseño Asistido por Computador para Tarjetas de Circuito Impreso

(PCB)

• Baterías eléctricas con gran tiempo de autonomía y eficiencia elevada

• RFID junto con tecnologías como EAS (Electronic Article Surveillance)

• Tags 2D

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Marco Legal

Aspectos de seguridad, ambientales y técnicos

De manera general algunos de los sistemas de seguridad de los AGVs son:

Escáner láser de seguridad: Se emplean para cubrir perimetralmente el área del

AGV con diferentes campos de seguridad que varían con la velocidad; de esta

forma el AGV reduce la velocidad cuando detecta presencia en una zona próxima

y se detiene cuando la presencia es detectada en una zona más cercana. Este

tipo de sistemas se utilizan fundamentalmente en interiores y en zonas que no

tengan una gran concentración de polvo en suspensión.

Bumpers: Se emplean en aplicaciones donde la velocidad no es muy elevada, en

exteriores y para cubrir zonas del AGV que quedan desprotegidas por otros

sistemas de seguridad.

Sensores de proximidad: Se emplean para detectar presencia y cubrir zonas

específicas de la geometría del AGV.

Sensores de ultrasonidos: Se emplean para detectar presencia y reducir velocidad

del AGV y complementan a los bumpers de seguridad en exteriores, dando lugar a

una configuración de seguridad equivalente a la de los escáner láser en interiores.

Sistemas de seguridad para el manejo de la carga: Distintos sistemas que

detectan el estado de la carga, como por ejemplo, el arrastre de los palets (por

ejemplo a causa de una tabla rota) en las maniobras de carga y descarga,

evitando así potenciales situaciones susceptibles de accidente.

Sistemas operativos: Son los encargados de tratar las señales recibidas de los

sensores de guiado

Sistemas de comunicación vía radio: Este tipo de comunicación vía radio es la

más difundida a nivel mundial. Dispone de diversos sistemas de seguridad para el

cifrado de datos de cara a garantizar la seguridad de las comunicaciones.

Sistemas de diagnóstico: Permiten analizar el funcionamiento del AGV en

cualquier momento de su vida. Reducen considerablemente el tiempo de

resolución de incidencias y posibilitan que, en la mayoría de las ocasiones, se

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pueda resolver problemáticas de funcionamiento antes de que redunden en

paradas físicas del AGV.

Sistemas de guiado: Hay múltiples sistemas de guiado, convirtiendo a cada uno de

ellos en idóneo para cada entorno concreto.

Sistema de guiado láser por reflectores.

Sistema de guiado láser por contorno

Sistema de guiado por puntos magnéticos

Sistema combinados (láser + puntos magnéticos)

Sistema combinados (láser + láser de contorno)

Sistema de guiado por banda magnética

Sistema combinados (Láser + banda magnética)

Sistema combinados (Láser + filoguiado)

Sistema de guiado óptico

Sistema de guiado por visión artificial

Sistema de guiado filoguiado

Normas propias del área de desempeño del proyecto

Debido a que este tipo de vehículos circulan normalmente por los mismos pasillos

que las personas, cabe destacar los sistemas de seguridad que llevan

incorporados para evitar posibles colisiones con objetos o personas que se

interpongan en su trayectoria.

Las medidas de seguridad no se centran sólo en la propia máquina sino que

abarcan también el área en la que esta funciona.

Debido al tamaño y peso, con el fin de evitar cualquier riesgo para las personas,

las velocidades de translación se adaptan según cada caso para garantizar la

parada total del AGV antes de que exista contacto con el obstáculo bien sea una

persona o un objeto.

En los AGV que se desenvuelven en zonas donde el tráfico de personas es muy

alto se suele instalar un sistema de detección y parada láser de última generación,

que disminuye al 0% el riesgo de accidente.

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4. MARCO TEÓRICO

El vehículo de guiado autónomo para la ubicación de libros en un espacio

controlado es un robot en configuración cartesiana con dispositivos electrónicos

que facilitan su inteligencia artificial. Este tipo de robots “son también llamados de

coordenadas cartesianas; es un robot industrial cuyos tres ejes principales de

control son lineales (se mueven en línea recta en lugar de rotar) y forman ángulos

rectos unos respecto de los otros. Además de otras características, esta

configuración mecánica simplifica las ecuaciones en el control de los brazos

robóticos. Los robots de coordenadas cartesianas con el eje horizontal limitado y

apoyado en sus extremos se denominan robots pórtico y normalmente son

bastante grandes” [5]. El prototipo desarrollado en este proyecto es un tipo de

robot con pórtico para permitir el libre movimiento del efector final o gripper y

conseguir que el robot recoja los libros y sean ubicados en un estante del espacio

controlado.

Para establecer contacto entre el robot y la estación de monitoreo fue necesario

trabajar con el protocolo de comunicación llamado: MiWi, “este es un protocolo

inalámbrico, utilizado para redes de área personal basado en el estándar IEEE

802.15.4 que engloba las redes de área personal con tasas bajas de transmisión

de datos. Este lenguaje de comunicación está dirigido a dispositivos y redes de

bajo costo, que no necesitan una alta transferencia de datos (250Kbit/s), a corta

distancia (100 metros sin obstáculos), y con un consumo energético mínimo. MiWi

es desarrollado por Microchip Technology, gratuito, y no requiere la compra de

licencias para su uso. Está dentro del espectro de los 2,4Ghz a través de su

transceptor MRF24J40 y es compatible otras implementaciones del estándar IEEE

802.15.4; como ZigBee. Tiene una tasa de transferencia de 250 kbit/s. Capaz de

formar redes punto a punto, de estrella o malla, según IEEE 802.15.4; puede tener

8 coordinadores como máximo por red, y cada uno de éstos 127 hijos, haciendo

un total de 1024 nodos por red” [6].

Para la referenciación del robot y cuidado de la carcasa exterior se utilizó un

sensor de ultrasonido, llamado SRF05 y el cual consiste en un “medidor

ultrasónico de distancias de bajo costo desarrollado por la firma DEVANTECH Ltd.

El módulo SRF05 es una evolución del módulo SRF04 y está diseñado para

aumentar la flexibilidad, aumentar el rango de medida y reducir costos. Es

totalmente compatible con el SRF04 y el rango de medida se incrementa de 3 a 4

metros. Dispone de un nuevo modo de operación que se selecciona simplemente

conectando el pin “Mode” a GND. Dicho modo permite al SRF05 emplear un único

pin de E/S que sirve tanto para dar la orden de inicio o disparo, como para obtener

la medida realizada (ECO). Cuando el pin de “Modo” no se emplea y se deja sin

http://es.wikipedia.org/wiki/Robot_industrialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Angulo_rectohttp://es.wikipedia.org/wiki/Angulo_rectohttp://es.wikipedia.org/wiki/Brazo_rob%C3%B3ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Brazo_rob%C3%B3ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Coordenadas_cartesianashttp://es.wikipedia.org/wiki/Personal_area_networkhttp://es.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.15.4http://es.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.15.4http://es.wikipedia.org/wiki/Microchip_Technology_Inc.http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBeehttp://es.wikipedia.org/wiki/Redes_punto_a_puntohttp://es.wikipedia.org/wiki/Red_en_estrellahttp://es.wikipedia.org/wiki/Red_Mesh

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conectar, el SRF05 trabaja de la misma manera que el SRF04. Esto es, la señal

de disparo y la salida de ECO se realizan por pines diferentes. El SRF05 incluye

una pequeña temporización tras el pulso ECO de salida, que permite que

controladores lentos como Basic Stamp y Picaxe puedan ejecutar sus

correspondientes instrucciones” [7].

A continuación se citaran los dispositivos electrónicos usados para la elaboración

de las tarjetas:

PIC 18F4620

Microcontrolador Microchip de 8 bits de la familia PIC 18F. 64KB de

memoria flash para programación, Velocidad: 48MHz. 32 puertos de

entrada/salida, 13 canales de ADC de 10 bits, 4 Timers. Interfaz: SCI,

UART, I2C, USB, SPI. Voltaje de alimentación: 2V. Encapsulado: DIP-40.

Fig. 1. Microcontrolador Microchip PIC18F4620.

Este microcontrolador es la CPU de las diferentes tarjetas del proyecto,

encargado de recibir los datos y mediante programación procesarlos y

realizar alguna función indicada [8].

MÓDULO BLUETOOTH RN-41

Tarjeta de desarrollo Bluetooth (Socket Module) USB con el Modulo

Bluetooth RN-41 (clase 1). Soporta los protocolos de interface Bluetooth

SPP/DUN y HCI. Cumple con el estándar 802.12.1. Es la perfecta solución

para agregar comunicación inalámbrica Bluetooth a sistemas existentes.

Aplicaciones: remplazo de cables, lectores de código de barras, sensores,

sistemas de medición.

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Características: Tarjeta de desarrollo Bluetooth con interfaz USB. Se

alimenta del puerto USB. Soporta Bluetooth v2.1+EDR. Antena tipo chip.

Alcance: hasta 100m con línea de vista. Frecuencia: 2.402 ~ 2.48 GHz.

Modulación: FHSS/GFSK (79 canales a intervalos de 1MHz). Comunicación

segura, encriptación de 128 bits. Corrección de errores. Potencia de salida:

12dBm. Sensitividad: -80dBm. Rata de transmisión no estándar

programable: 1200bps hasta 921Kbps. Consumo de corriente en

transmisión: 62mA. Consumo de corriente en recepción: 32mA. Tamaño:

20mm x 22mm.

Fig. 2. Módulo Bluetooth RN-41.

Este módulo tiene por objetivo transmitir los datos vía Bluetooth, buscando

una comunicación más eficaz, de modo que los datos captados sean bien

procesados para posteriores análisis [9].

TARJETA DEV-10008

Tarjeta para conversión de Interfaz USB-Serial (USB-UART) versión 2, que

permite realizar interfaz entre el protocolo USB y el serial, utilizando el

integrado FT232RL. Posee conector mini USB para la conexión con el PC o

con otros sistemas con USB. Puede ser usada para aplicaciones seriales en

general. Se alimenta a través del puerto USB. Proporciona una solución

simple para interconectar sistemas UART/USB. Voltaje de comunicación

seleccionable (3.3V), (2V) mediante Jumper de soldadura. Tamaño: 23mm

x 16mm [8].

Fig. 3. Tarjeta Serial/USB.

20

Este es el dispositivo electrónico que permite la conversión de interfaz USB

a serial, importante a la hora de captar datos y poderlos suministrar a

cualquier dispositivo con entrada USB, lo que le da un mayor campo de

acción al proyecto; pues se puede relacionar con mas dispositivos

electrónicos.

MÓDULO DE COMUNICACIÓN MiWi

El módulo transceiver de radiofrecuencia MRF24J40MA que funciona a 2,4

GHz bajo el protocolo IEEE 802.12.4, incluye un sistema integrado de

antena PCB, este módulo es una solución ideal para la implementación de

redes inalámbricas, domótica, automatización y otras aplicaciones

electrónicas que requieran de comunicación inalámbrica, diseñada para ser

alimentada a 3.3V [11].

Fig. 4. Módulo de comunicación MiWi.

Este es el módulo encargado de la comunicación inalámbrica en el

proyecto, entre el AGV y la estación de trabajo, ideal para crear una

comunicación en una misma red ya que está regida bajo el protocolo IEEE

802.12.4.

21

5. DISEÑO MECATRÓNICO DEL AGV

Descripción general

El diseño se puede explicar en su generalidad a nivel de un enfoque que disgrega

en sistemas y subsistemas el robot tipo AGV [12]. A partir de ejercicios de diseño y

discusiones técnicas realizadas al interior del grupo interdisciplinario que realizó el

proyecto se llegó a la identificación de tres sistemas principales y tres subsistemas

que soportan no solo el funcionamiento del robot o móvil automatizado, sino que

también lo integran a un sistema con interfaces de usuario que entregue

información de utilidad desde el punto de vista logístico y operativo.

Fig. 5. Esquema general del vehículo guiado autónomo AGV. (Elaboración propia)

La descripción sucinta de estos sistemas y subsistemas se presenta en la Tabla I.

Es importante anotar que los subsistemas listados son transversales a la

operación del AGV y de su entorno de influencia.

22

SISTEMAS LIGADOS

AL DESPLAZAMIENTO

DEL AGV

SISTEMAS LIGADOS A LA RECOLECCIÓN Y UBICACIÓN DE LOS

LIBROS

SISTEMAS LIGADOS AL CONTROL Y A LA AUTONOMÍA

Subsistema de tracción

Subsistema de guiado

Subsistema de la pinza de agarre o gripper

Subsistema de Identificación por Radiofrecuencia (RFID)

Subsistema de comunicaciones

Subsistema de control y procesamiento

Subsistema de suministro de energía

Subsistema informático de gestión

(interfaz de usuario y base de datos)

Subsistema de información geográfica

(georeferenciación y posicionamiento)

Tabla 3. Sistemas y subsistemas del AGV.

Sistema de desplazamiento del AGV

Hay dos ítems principales que se abordaron para garantizar la movilidad del AGV.

En primer lugar se proyectó un conjunto de motores que respondieron

adecuadamente a los requerimientos de potencia y torque derivados del peso que

sirvieron para garantizar una tracción continua. En segundo lugar los motores

funcionaron adecuadamente a las señales de control enviadas por el

microcontrolador residente sobre el AGV.

23

SISTEMAS LIGADOS AL DESPLAZAMIENTO DEL

AGV

Subsistema de tracción

Motores y circuitos drivers

Acoples motores , engranajes y rodamientos

Chasis

Subsistema de guiado

Sistema de seguidor de línea

Encoders para desplazamiento y sentido de giro

Brújula digital

Sensor de distancia por ultrasonido

Trazado de líneas en escenario de pruebas (ambiente controlado)

Tabla 4. Sistema de desplazamiento del AGV.

Dado que el AGV se desplaza sobre una trayectoria preestablecida, trazada sobre

el piso, y que además se implementa un sistema de referenciación de la ubicación

geográfica del robot, fue necesario apoyarse en un sistema electrónico de

sensores que garantizaron el seguimiento de las rutas y además permitieron

levantar las coordenadas en los diferentes instantes de operación.

Fig. 6. Condiciones para seguidor de línea.

Como ítem adicional se agrega un sistema de ultrasonido que cumple con la

normativa de este tipo de vehículos para evitar colisiones con personas y

obstáculos. El subsistema de guiado se complementa con una brújula digital y los

encoders [13] que ayudan a levantar la información relativa a la distancia recorrida

y la dirección de desplazamiento del AGV.

24

Fig. 7. Sensores que apoyan el subsistema de guiado del AGV. (Elaboración

propia)

Sistema de recolección y ubicación de los libros

Este sistema combina el etiquetado electrónico con el actuador mecatrónico que

toma los libros de su contenedor en el vehículo y los ubica en el estante de

acuerdo a su signatura topográfica [14].

SISTEMAS LIGADOS A LA RECOLECCIÓN Y UBICACIÓN DE

LOS LIBROS

Subsistema de la pinza de agarre o Gripper

Motores y circuitos drivers

Estructura mecatrónica (pinzas, acople de piezas mecánicas y electrónicas)

Sistema de posicionamiento con mecanismo cartesiano

Subsistema de identificación por Radiofrecuencia (RFID)

Sistema de Lectura/Escritura de etiquetas (TAGS)

Sistema de comunicación electrónica entre módulo R/W RFID y microcontrolador

Tabla 5. Sistema de recolección y ubicación.

Las etiquetas utilizadas son del tipo lectura/escritura y los datos de esta son

manejados a través de un módulo electrónico RFID que es interfazable a la tarjeta

de control ubicada en el AGV [15]. Los datos de los libros son enviados a la tarjeta

vía radiofrecuencia.

25

Fig. 8. Etiquetado de los libros mediante RFID. (Elaboración propia)

A continuación se muestran dos diseños de pinzas que se tuvieron en cuenta para

elegir la que mejor opción que se adecuara al funcionamiento requerido [16].

Fig. 9. Dos opciones de pinza: diseño y prototipo de prueba.

Sistemas de control y autonomía

Las comunicaciones son parte fundamental para la operación del AGV. Los datos

que entregue el sistema de lectura/escritura RFID se transmiten inalámbricamente

hacia una tarjeta que descarga los datos hacia un computador de escritorio. Igual

tarea se realiza con los datos de ubicación geográfica del robot. Aparte de esto se

manejan protocolos clásicos como I2C para la comunicación con sensores y el

RS232 para la conexión con el puerto COM del PC.

26

SISTEMAS LIGADOS AL CONTROL Y LA

AUTONOMÍA

Subsistema de comunicaciones

Sistema de comunicaciones bajo el estándar IEEE 802.15.4 (protocolo propietario MiWi de Microchip)

Sistema de comunicaciones serial (RS232)

Sistema de comunicaciones I2C

Sistema de comunicaciones bajo 802.15.1 (Bluetooth)

Subsistema de control y procesamiento

Microcontroladores PIC de 8 y 16 bits

Algoritmo implementado sobre los microcontroladores

Procesamiento de los datos del sistema

Tabla 6. Sistema de control y autonomía

Dado que los datos de los libros que van a ser ubicados sobre los estantes se

capturan sobre el mismo AGV estos se transmiten utilizando un transceptor

compatible con el estándar IEEE 802.15.4 [17], estos datos a su vez son recibidos

por una tarjeta base que los entrega a un dispositivo como un computador para

llevar la información al bibliotecario o al administrador del sistema.

Fig. 10. Comunicación entre el AGV y el nodo o tarjeta base. (Elaboración propia)

Subsistema de suministro de energía

Este sistema es el encargado de garantizar la alimentación de las diferentes

tarjetas electrónicas y motores. En el diseño se previeron diferentes situaciones

que podrían desencadenar fallas totales o parciales de los diferentes sistemas. Un

elemento clave que fue abordado a partir de cálculos y prediseños es la relación

27

torque/carga pues era factible que los motores quedaran subdimensionados si no

se consideran los elementos que pueden afectar negativamente el rendimiento de

estos [18] [19].

SUBSISTEMA DE SUMINISTRO DE ENERGÍA

Baterías sistema de tracción y potencia para los

motores

Pilas para tarjetas (itinerante y base)

Sistema suplementario de alimentación (sistema de

apoyo de suministro de energía)

Protecciones contra sobre voltajes y polarización

inversa

Sistema de cargadores para las pilas y baterías

Tabla 7. Subsistema de energía.

Subsistema informático, de información geográfica e integración operativa. Los

datos de los libros recogidos y ubicados con el AGV se deben gestionar con

herramientas informáticas tales como interfaces de usuario y bases de datos

bibliográficas.

SUBSISTEMA INFORMÁTICO DE GESTIÓN

Interfaz de usuario para dispositivo móvil

Base de datos con el registro de los libros etiquetados

Tabla 8. Sistema Informático

Aprovechando los sensores ubicados sobre el robot, se levantará un mapa de los

recorridos y la ubicación actualizada del prototipo. Para este fin se combinaron las

técnicas utilizadas en los sistemas de información geográfica con las medidas

obtenidas dinámicamente y transmitidas a la tarjeta base [20] [21] [22].

SUBSISTEMA DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA

Sistema de referenciación local (Según el

levantamiento cartográfico del escenario de pruebas)

Interfaz de usuario para sistema de información geográfica (SIG)

Tabla 9. Sistema de información geográfica

28

Dado que el sistema se proyectó para tener también interfaces en dispositivos

móviles, tales como tablets y smartphones, se integró también un dispositivo tipo

Bluetooth que envía la información de los libros así como los de georeferenciación

hacia los aparatos antes mencionados [23].

Fig. 11. Interacción con otras redes y dispositivos. (Elaboración propia)

La opción de tener la información en dispositivos móviles le aporta al proyecto la

opción de acceder a recursos con una posibilidad de ubicuidad mayor de si se

tratase de dispositivos más clásicos como el computador de escritorio [24].

A continuación se describen las siguientes etapas que se realizaron en el

proyecto, el diseño e implementación de las tarjetas electrónicas necesarias para

poner en funcionamiento los diferentes sistemas del robot mencionados

previamente, así como los códigos de programación utilizados para el

funcionamiento de una de las tarjetas y por último los resultados obetenidos.

29

6. ASPECTOS DE PROGRAMACIÓN

El siguiente código fue realizado en lenguaje C para el funcionamiento de

elementos importantes dentro del buen desarrollo del proyecto, tales como:

Brújula, medidor de distancia por ultrasonido, seguidor de línea, driver de

corriente para los motores y Display LCD; Fue implementado mediante el

software: Mplab y para lo cual fue vital la ayuda de los compañeros del

Semillero de Investigación en Róbotica Móvil; Richard Grisales Arboleda y

Camilo Velásquez Gómez.

El código de funcionamiento de la tarjeta de sensórica del robot es el siguiente:

#include

#include

#include "lcd.h"

#define _XTAL_FREQ 20000000

//VARIABLES

float distancia=0, temp=0, x; //Donde x, es el desplazamiento del encoder.

unsigned int ADC;

const char r1=10,r2=2; //Donde r1 radio de la rueda , r2 radio del encoder.

//unsigned char buffer[10];

float aux,angulo,ultra;

unsigned char bandera;

//FUNCIONES

void conversion (void);

void mostrar(void);

void lectura (void);

void texto (const char * r);

//VECTOR DE INTERRUPCION

/*void interrupt ISR(void){

if(RBIF==1){ //INTERRUPCIÓN POR CAMBIO DE FLANCO.

if(RB2==1){

if(RA0==1){

30

distancia=distancia+x*r1/(100*r2); //Distancia en metros.

}else{

distancia=distancia-x*r1/(100*r2);

}

}

RBIF=0;

}

if(RCIF==1){ //INTERRUPCIÓN DE RECEPCIÓN POR PUERTO

SERIAL.

RCIF=0;

}

}

// Función Principal //

void main (void){

ANSEL=0b00000010; //Activa la conversión AD en el pin RA1.

ANSELH=0; //Desactiva pines de conversión AD en el puerto B.

//////////////////////////////////Inicializa todos los puertos a utilizar.

PORTA=0;

PORTB=0;

PORTC=0;

PORTD=0;

//////////////////////////////////Configuración I/O de los puertos a utilizar.

TRISA=0b00011111;

TRISB=0b11101111;

TRISC=0;

TRISD=0;

//////////////////////////////////

x=3.14129262/2*r2; //En caso de tener 4 ranuras en el encoder.

inicializar(); //Inicializa el display LCD.

31

escribir(0X80); //Posiciona el display en la primera línea.

cadena("SENSORICA"); //Escribe en el display.

__delay_ms(200);

limpiar(); //Limpia el display LCD.

ADCON0=0b01000100; //Configura la conversión AD.

//////////////////////////Configura la comunicación serial a 9600 baudios.

TXSTA=0b00100100;

RCSTA=0b10010000;

BAUDCTL=0;

SPBRG=129;

//////////////////////////

OPTION_REG=0b10000101; //Configura el timer0.

//////////////////////////////////////Configuración de interrupciones.

//GIE=1;

//PEIE=1;

//RBIE=1;

//RCIE=1;

//IOCB=0b00100000;

//CICLO INFINITO

while(1){

////////////////////Condición para cambiar el sentido de giro de los motores.

if(RA4==1){

RC2=1;

RC0=1;

}

else{

RC2=0;

RC0=0;

}

32

////////////////////Condiciones para el seguidor de línea.

if(RB0==1)

RC1=1;

else

RC1=0;

if(RB1==1)

RC3=1;

else

RC3=0;

///////////////////

lectura();

mostrar();

}

}

//Función para realizar la conversión AD en el pin RA1 (Temperatura en el LM32).

void conversion (void){

// VCFG0=1;

ADFM=1;

ADON=1;

GO=1;

while(GO);

ADC=ADRESH

33

lcdnum(distancia);

cadena(" ");

conversion();

cadena("T");

lcdnum(temp);

escribir(0XC0);

cadena("A");

lcdnum(angulo);

cadena(" ");

cadena("U");

lcdnum(ultra);

}

//Función para leer los valores de la brújula digital y el sensor medidor de distancia por ultrasonido.

void lectura (void){

unsigned char c=1, c1=0;

float tiempo=0;

while(c){

if(RB7==0){

while(RB7==0);

TMR0=0;

while(RB7){

if(TMR0==222){

c1++;

TMR0=0;

}

aux=TMR0;

}

tiempo=3.2768*aux/222;

34

tiempo=tiempo+3.2768*c1;

angulo=(tiempo-1)*10;

c=0;

}

}

c=1;

c1=0;

RB4=1;

__delay_us(10);

RB4=0;

while(c){

if(RB6==0){

while(RB6==0);

TMR0=0;

while(RB6){

if(TMR0==222){

c1++;

TMR0=0;

}

aux=TMR0;

} tiempo=3.2768*aux/222; tiempo=tiempo+3.2768*c1; ultra=tiempo*1000/28.3; c=0; }

} //Función para escribir una cadena de texto por el puerto serial.

void texto (const char * r){ while(*r){

TXREG=*r++; while(TRMT==0);

} }

35

A continuación se presenta un diagrama en donde se explica el código detallado

anteriormente:

PROGRAMACIÓN TARJETAS ELECTRÓNICAS DEL AGV

VECTOR DE INTERRUPCIÓN

Interrupción por cambio de flanco Interrupción por puerto serial

FUNCIÓN PRINCIPAL

Inicializa puertos a utilizar

Inicializa y configura display LCD

Configuración de la comunicación serial

Comunicación de interrupciones

Condición para cambiar sentido de giro de motores

CICLO INFINITO

Condiciones para seguidor de línea

Además se implementan las siguientes funciones:

Función de temperatura para el LM35

Función para escribir en el LCD los valores de los sensores

Función para leer los valores de la brújula digital y el sensor medidor de distancia por

ultrasonido

Función para escribir una cadena de texto por el puerto serial

Diag 1. Diagrama del código de programación.

36

7. DISEÑO EN EAGLE DE LA TARJETA ELECTRÓNICA (PCB)

La tarjeta de recepción desempeña un papel importante dentro del funcionamiento

del robot, puesto que es la encargada de comunicarlo con dispositivos ajenos a él,

por ejemplo un computador, un Smartphone, entre otros; esto para el

procesamiento o almacenamiento de datos para un posterior análisis en el

momento de hacer pruebas con el dispositivo robótico. Esta va en la estación de

trabajo/PC.

La tarjeta de transmisión tiene como principal función, el envío de datos a la

anterior tarjeta anterior; usando un circuito de envío de datos que integra

dispositivos como: Módulo MiWi de transmisión, Bluetooth, conector USB/Serial,

Display LCD y un microprocesador que genera todas las funciones de la tarjeta

dentro del AGV.

Por último en la tarjeta sensórica se encuentran dispositivos encargados de la

autonomía del robot, para la detección de objetos y obstáculos con el medidor de

distancia de ultrasonido, una brújula digital para la referenciación del AGV, un

sensor seguidor de línea que tiene por función el movimiento del robot, siguiendo

la trayectoria en la cual se desempeñará y una conexión para un encoder.

El desarrollo de estas tarjetas se inicia elaborando el diagrama esquemático en el

software “Eagle”, y es presentada en las siguientes gráficas:

Fig. 12. Esquemático del circuito de la tarjeta de recepción.

37

En la imagen encontramos los diferentes dispositivos electrónicos usados para el

desarrollo de la tarjeta, dentro de los cuales tenemos: Pic 18F4620, Módulo

Bluetooth RN-41 para la transmisión de datos, tarjeta USB-Serial y el módulo de

comunicación MiWi; además de los otros componentes electrónicos como

resistencias, diodos, reguladores de voltaje, Display LCD siempre importantes

para el buen funcionamiento electrónico de la tarjeta.

Fig. 13. Esquemático del circuito de la tarjeta de transmisión.

Fig. 14. Esquemático del circuito de la tarjeta sensórica.

38

Luego de terminar el esquemático, el software “Eagle” permite la opción de

generar una ventana con los componentes en tamaño real del circuito, para ser

ubicados en una board y unidos mediante pistas por las cuales transitará la

corriente una vez puesto en funcionamiento el circuito.

A continuación se muestra la board del circuito diseñada en Eagle:

Fig.15. Board diseñada en Eagle de la tarjeta de recepción.

Fig. 16. Board diseñada en Eagle de la tarjeta de transmisión.

39

Fig.17. Board diseñada en Eagle de la tarjeta sensórica.

Luego de haber diseñado la board en Eagle, se procede a imprimir en una

baquela, que es una pieza de plástico recubierta por cobre, este proceso se

realizó con la ayuda de Tecnoparque; que es un laboratorio del SENA para el

desarrollo de proyectos tecnológicos; usando la máquina CNC que allí tienen

después de haber recibido diferentes capacitaciones sobre su uso en especial.

Esta máquina cuenta con la capacidad de imprimir el circuito en la baquela con tan

solo un archivo que genera el software Eagle. A continuación se muestran fotos

sobre el proceso de obtención de la baquela con las pistas y huecos para la

ubicación de los componentes electrónicos.

Fig. 18. Máquina CNC con la baquela.

40

Fig. 19. Máquina CNC realizando las pistas y perforaciones de la tarjeta de

recepción.

Fig. 20. Tarjeta de recepción dispuesta para la ubicación de sus

componentes electrónicos.

En la última imagen se puede observar la baquela con las pistas y los huecos para

ubicar los componentes electrónicos de la tarjeta de recepción, es así como la

máquina CNC deja la baquela una vez terminado su proceso; en general así

quedan también las otras tarjetas. El paso a seguir fue ubicar los diferentes

dispositivos y elementos electrónicos necesarios para el buen funcionamiento de

la tarjeta. Es importante resaltar que este proceso se debió repetir en dos

ocasiones y por dos motivos en especial en el desarrollo de la tarjeta de

41

recepción, uno de ellos fue que las pistas quedaron muy delgadas y no permitía el

buen tránsito de la corriente; y por otra parte el módulo de comunicación MiWi

quedo ubicado incorrectamente (Quedó sobre la capa superior del diseño en

Eagle). Por tal motivo se debió corregir el archivo de la CNC haciendo especial

énfasis en el ensanchamiento de las pistas y cambiando de posición el dispositivo

MiWi.

42

8. FOTOS DE LAS TARJETAS ELECTRÓNICAS CON COMPONENTES

ENSAMBLADOS

La tarjeta de recepción ubicada en la estación de trabajo del dispositivo y del

sistema controlado, permite comunicar el sistema robótico con otros mecanismos,

generando datos con los que se realizan análisis y evaluaciones en pro de

potencializar el dispositivo robótico AGV. La importancia de esta tarjeta radica en

poder asociar el robot con otros sistemas importantes que puedan aportar en el

futuro mejoras y cambios al proyecto. Esta tarjeta está compuesta por algunos

elementos electrónicos, entre ellos se encuentran: Microcontrolador Pic 18F4620

[25], Módulo Bluetooth [26], convertidor serial-Usb [27], Módulo MiWi [28], display

LCD, entre otros.

Fig. 21. Tarjeta de Recepción del robot.

A continuación se muestra un diagrama de la tarjeta de recepción con sus más

importantes componentes.

Diag. 2 Componentes tarjeta de recepción. (Elaboración propia)

43

La tarjeta sensórica del AGV posee componentes importantes para la

referenciación en el espacio controlado, en este lugar están dispuestos los libros

que finalmente serán manipulados por el dispositivo robótico. Esta configuración le

permite al robot desplazarse (sensor seguidor de línea), saber las coordenadas

dónde se encuentra ubicado (display LCD), esto a través de la brújula digital;

controlar la potencia de los motores (drivers de motores) y ubicar obstáculos que

puedan ocasionar paros o daños (sensor de ultrasonido); importante pues le

brinda al mecanismo diferentes conceptos que enriquecen la inteligencia artificial

que se quiere plasmar en el proyecto. A continuación se puede detallar la tarjeta

junto con sus componentes.

Fig. 22. Tarjeta sensórica. (Elaboración propia)

Por último la tarjeta de transmisión le permite al sistema robótico enviar datos a la

estación de trabajo/PC, está ubicada en el mecanismo robótico y su función es

permitir la configuración del robot, vía Bluetooth y cable RS232 para configurar el

lector de etiquetas RFID, a través de la terminal macho con un DB9; display LCD,

transmisor MiWi y el respectivo microcontrolador, para generar todas estas

funciones indicadas.

44

Fig. 23. Tarjeta de transmisión

A continuación se muestra un diagrama de la tarjeta de transmisión con sus

principales componentes.

Diag. 3 Componentes tarjeta de transmisión. (Elaboración propia)

45

9. FOTOS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS Y LOS RESULTADOS

OBTENIDOS CON LA TARJETA EN FUNCIONAMIENTO

Las tarjetas tanto de recepción como sensórica funcionaron con normalidad y

haciendo sus funciones para las que fueron programadas, los resultados

obtenidos fueron buenos y permitieron un correcto desempeño del manejo de

datos en el mecanismo robótico.

Fig. 24. Tarjeta de Recepción del robot en funcionamiento

46

Fig. 25. Tarjeta de Recepción bajo pruebas de funcionamiento

Fig. 26. Tarjeta sensórica bajo pruebas de funcionamiento

47

Fig. 27. Tarjeta de transmisión bajo pruebas de funcionamiento

48

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1. Microcontrolador Microchip PIC18F4620……………………………………18

Fig. 2. Módulo Bluetooth RN-41………………………………………………………19

Fig. 3. Tarjeta Serial/USB……………………………………………………………....19

Fig. 4. Módulo de comunicación MiWi………………………………………………..20

Fig. 5. Esquema general del vehículo guiado autónomo AGV……………………21

Fig. 6. Condiciones para seguidor de línea………………………………………….23

Fig. 7. Sensores que apoyan el subsistema de guiado del AGV………………….24

Fig. 8. Etiquetado de los libros mediante RFID………………………………………25

Fig. 9. Dos opciones de pinza: diseño y prototipo de prueba………………………25

Fig. 10. Comunicación entre el AGV y el nodo o tarjeta base………………………26

Fig. 11. Interacción con otras redes y dispositivos…………………………………..28

Fig. 12. Esquemático del circuito de la tarjeta de recepción………………………..36

Fig. 13. Esquemático del circuito de la tarjeta de transmisión……………………...37

Fig. 14. Esquemático del circuito de la tarjeta sensórica……………………………37

Fig.15. Board diseñada en Eagle de la tarjeta de recepción………………………..38

Fig. 16. Board diseñada en Eagle de la tarjeta de transmisión……………………..38

Fig.17. Board diseñada en Eagle de la tarjeta sensórica……………………………39

Fig. 18. Máquina CNC con la baquela…………………………………………………39

Fig. 19. Máquina CNC realizando las pistas y huecos de la tarjeta de recepción..40

Fig. 20. Tarjeta de recepción dispuesta para la ubicación de sus componentes

electrónicos……………………………………………………………………………….40

Fig. 21. Tarjeta de Recepción del robot……………………………………………….42

Fig. 22. Tarjeta sensórica……………………………………………………………….43

49

Fig. 23. Tarjeta de transmisión…………………………………………………………44

Fig. 24. Tarjeta de Recepción del robot en funcionamiento………………………..45

Fig. 25. Tarjeta de Recepción bajo pruebas de funcionamiento…………………..46

Fig. 26. Tarjeta sensórica bajo pruebas de funcionamiento………………………..46

Fig. 27. Tarjeta de transmisión bajo pruebas de funcionamiento………………….47

50

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Compañías que ofrecen tecnologías para AGV’s…………………………11

Tabla 2. Normas técnicas patentadas para la elaboración de AGV’s……………...13

Tabla 3. Sistemas y subsistemas del AGV……………………………………………22

Tabla 4. Sistema de desplazamiento del AGV……………………………………….23

Tabla 5. Sistema de recolección y ubicación…………………………………………24

Tabla 6. Sistema de control y autonomía……………………………………………..26

Tabla 7. Subsistema de energía……………………………………………………….27

Tabla 8. Sistema Informático…………………………………………………………...27

Tabla 9. Sistema de información geográfica………………………………………….28

51

Trabajos citados

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[11] Electrónica I+D, [En línea]. Available:

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[26] Microchip, «All Data Sheet,» [En línea]. Available:

http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Mrf24j40ma%20datashee

t&gclid=CL2IhLesx7sCFSdp7Aod4h4A1w. [Último acceso: 23 12 2013].

[27] SparkFun, «SparkFun Electronics,» [En línea]. Available:

https://www.sparkfun.com/products/retired/10008. [Último acceso: 23 12

2013].

[28] Microchip, «Roving Networks,» [En línea]. Available:

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/rn-41-ds-v3.42r.pdf.

[Último acceso: 23 12 2013].

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RECONOCIMIENTO

Agradezco a la Dirección de Investigaciones de la Universidad de San

Buenaventura Seccional Medellín que aportaron excelentes ideas a este proyecto.

También darles un agradecimiento a los estudiantes Richard Grisales Arboleda y

Camilo Velásquez Gómez. y al docente Gustavo Adolfo Meneses, personas que

colaboraron de manera muy especial al excelente desarrollo del AGV; así como a

profesores que desde el Semillero de Investigación en Robótica Móvil – SIRMO-,

Semillero de Investigación en Gestión y Desarrollo Industrial – SEGDI-, Semillero

de Investigación en Ingeniería del Software de la Universidad de San

Buenaventura Medellín –SisUsbMed- y Semillero de Investigación en

Geoinformática Aplicada al Medio Ambiente –SIGAMA – han aportado al punto

actual de avance de esta iniciativa.