Informe del modulo de electrónica

-Organización del grupo

- objetivo principal

- cambios en el sistema electrónicoCambio del GPS.

Inicialmente se uso un GPS(Sistema de posicionamiento global ) el cual era bastante sensible al entorno con radiaciones electromagnéticas , además que no disponía de una antena que le permita comunicarse satisfactoriamente. Se tenia problemas en las pruebas dentro de una oficina , para las pruebas .

Por ello se adquirió un modulo de GPS Maestro A2200 que lo proporciona la empresa DELCOMP SAC, el cual disponía de una potente antena y no era muy sensible además que su error de medición era cercano de 5m.

Saturación de la medida del sensor ultrasónico.

El sensor ultrasónico utilizado es el SRF04 , el cual trabaja en un rango de 4cm-4m en teoría , pero según las pruebas trabaja bien entre 2cm-3m .

Sin embargo para la tarea de evasión de obstáculos del móvil , el ultrasónico podía estar dirigido hacia una zona en la cual la distancia hacia un obstáculo es muy grande o simplemente no hay obstáculos (no regresa el eco al ultrasónico). Es allí donde el ultrasónico al estar fuera de su rango de operación nos arrojaba errores de medición (para distancias grandes lo interpretaba como pequeñas distancias) .

Por ello se hizo un algoritmo simple para solucionar esto , se asumió que se trabajaría en rangos intermedios de 10cm a 2m para los cuales se tiene una lógica sin errores.

Cambio y nueva disposición de los microcontroladores utilizados.

El rover Cansat tiene que medir variables como presión, temperatura, posición global, etc.; además tiene que ejecutar un algoritmo de control para la navegación lo cual suma varias tareas que toman bastante tiempo computacional. Inicialmente se pensó en utilizar un PIC 18 para las tareas pero no se abastecía ni en memoria de programa (FLASH), y mucho menos en el procesamiento del algoritmo de control. Como segunda alternativa se propuso utilizar 2 PIC18 uno para el CONTROL y otro para la lectura de los sensores del modulo de sensado. Sin embargo el control necesita la rapidez de procesamiento alta y además disponer de salidas de pwm para los motores y servomotores . El PIC18 solo dispone de 2 pwm , los cuales podrían ser utilizados para los motores pero no alcanzarían para los servomotores (lo cual se podría ejecutar por software pero seria ineficiente el programa ya que se ejecutaría por interrupciones a la rutina principal de control) . Además en el control se trabaja con varios datos tipo float , lo cual pone en riesgo la memoria RAM del PIC18.

Es por ello que se decidió utilizar un microcontrolador mas potente, uno de 32bit y que disponga de varias salidas de pwm. Es así que decidimos utilizar un microcontrolador bastante conocido en JAPON , gracias a recomendaciones de compañeros , el cual se llama MBED . Con este microcontrolador ya no nos preocupamos por la potencia del procesador, memoria de datos ni memoria de programa ya que tiene en gran cantidad estas características, además que dispone de un gran numero de librerías.

- requerimientos del sistema electrónica

- diagrama general del sistema electrónico

- representación físico del sistema

fotos

-subsistemas

Sensorica

- criterio para la selección de los sensores

Para el proyecto, necesitamos desarrollar un sistema de recopilación de datos, navegación autónoma y además de reconocimiento del ambiente en donde se encuentra el rover (ambiente terrestre o aéreo).

Para la recopilación de datos, necesitamos obtener datos de presión, temperatura, posición, vibración .Estos datos se almacenaran en una memoria, en nuestro caso se puede usar un EEPROM o un SD card.

La navegación autónoma se divide según el ambiente, ya sea navegación aérea o terrestre, para ambos casos necesitamos conocer la posición

actual del rover y la orientación además de la posición objetivo . Para ello utilizaremos un GPS para saber la posición actual y una brújula para saber la orientación, además de ello para la navegación terrestre se necesitara evadir obstáculos para ello utilizaremos sensores ultrasónicos.

El GPS tiene que tener una precisión razonable para el tamaño del terreno, además de una actualización de los valores de posición rápida.

- definición y características

1. Sensor de Presión y Temperatura SCP1000

Es el sensor de presión que mide la presión absoluta. La comunicación entre el SCP1000 y el microcontrolador (μC) se basa en una interfaz serial. Dos interfaces seriales están disponibles: SPI y I2C. El sensor de presión SCP1000 tiene 4 modos de medición, además de en espera y el modo sin alimentación. En todos los modos de medición, la presión de salida tiene un tamaño de 19 bits. Además trabaja en modo de bajo consumo, es decir con señales de 3.3V.

Principales Características:

El presión que mide es la absoluta ,la calibración y compensación se hace internamente, es decir ,automático. Presenta alta robustez y estabilidad . Voltaje de alimentación =2.4 - 3.3 VDC. Rango de Presión= 30kPa a 120kPa. Rango de Temperatura= -30 0C a 85 0C . Comunicación serial de 2 líneas ,usando el protocolo TWI y

SPI,como observación el TWI es muy parecido al bus I2C. Trabaja en modo bajo consumo, es decir, a 3.3 V.

2. Acelerómetro

3. Sensor ultrasónico SRF04

Se utiliza el sensor ultrasónico SRF04 , con las siguientes especificaciones:

Probe Main Technical Parameters

Center resonant frequency: 40kHz ± 2kHz

Static capacitance: 3300P ± 300P

Resonant impedance: 120Ω ± 20Ω

Frequency bandwidth (-3dB): Δf-3dB ≥ 2kHz

Operation voltage: 300 ~ 500VP-P

Limit voltage ≤ 1000VP-P

Transmitting beam angle: 6O degrees

Operation temperature: -40 ~ +80 ℃Protection class: IP65

Module Performance

Voltage: DC5V;

Static current: Less than 2mA;

Output signal: Electric frequency signal, high level 5V, low level 0V;

Sensor angle: Not more than 15 degrees;

Detection distance: 2cm-500cm (Actually up to 2.5m)

High precision: Up to 0.3cm

4. Brújula de 3 ejes HMC5883L

ESPECIFICACIONES: HMC5883Lhigh resolution

ADC 12 bitsheading accuracy

interface i2c3 axis

mG-8Gauss2.16-3.6V

rate max -- 160Hzi2c Address -- 0x3D / 0x3c

400khz , i2c rate-40° to 125°C

REFERENCIAS:

5. GPS

El GPS, sistema de posicionamiento global, sirve como un sensor de posición y además como referencia de donde se encuentra el rover Cansat, el GPS nos envía diversas tramas de información en formato NMEA. Para la navegación terrestre nos sirve la longitud y latitud que nos entrega la trama GPGGA y para la navegación aérea utilizamos la longitud , latitud y altitud de la misma trama.

- funcionamiento

1. Sensor de Presión y Temperatura SCP1000

Para obtener los valores de Presión y Temperatura del sensor SCP1000 debemos acceder a los registros siguientes mediante el protocolo SPI.

2. Acelerometro

3. Sensor Ultrasónico SRF04

FUNCIONAMIENTO:

Lo que queremos obtener es distancia por ello , se calcula de la siguiente manera:

distancia=( velocidad del sonido )∗Techo

2

velocidad del sonido=340 ms−→enunambiente normal

4. Brújula HMC5883L

La brújula digital de 3 ejes HMC5883L se comunica por medio del protocolo I2C con el microcontrolador.

PROGRAMACION

DIAGRAMA DE FLUJO

REGISTROS

5. GPS Maestro A2200

El GPS utilizado se comunica por el protocolo USART con el microcontrolador. Se lee solo la longitud, latitud y altitud de la trama GPGGA.

SIGNIFICADO DE CADA ELEMENTO DE LA TRAMA GPGGA.

**Posicion segun gps :

_primera:

$GPGGA,143129.483,1213.2381,S,07655.6331,W,1,04,1.7,216.6,M,8.8,M,,0000*6E

Latitud:1213.2381,S

Longitud:07655.6331,W

-ultima:

$GPGGA,143153.483,1213.2376,S,07655.6332,W,1,04,1.7,218.2,M,8.8,M,,0000*62

Latitud:1213.2376,S

Longitud:07655.6332,W

RELACION DE ANGULOS DE LATITUD – LONGITUD Y DISTANCIAS EN LA SUPERFICIE TERRESTRE.

1)Para que se produzca un desplazamiento de 1m hacia una dirección única(longitud o latitud) , se calculara cuando tendrá que variar el ángulo:

Se asumirá como un sector circular:

φ xRprom=1m

φ= 1m6367.5Km

φ=1.57∗10−7 rad

φ=8.9982e-006°

2) La mínima detección de distancia:

Y .0000

Y .0001

R=6367500;%Radio prom de la tierra en md=angulo*pi*R/180

dmin= 0.1852 m=18.52cm

- unidades de procesamiento

- PIC18

-Mbed NXP LPC1768

The mbed rapid prototyping platform is the fastest way to design products based on ARM microcontrollers.

It is based on the NXP LPC1768, with a 32-bit ARM Cortex-M3 core running at 96MHz. It includes 512KB FLASH, 32KB RAM and lots of interfaces including built-in Ethernet, USB Host and Device, CAN, SPI, I2C, ADC, DAC,

PWM and other I/O interfaces. The pinout above shows the commonly used interfaces and their locations. Note that all the numbered pins (p5-p30) can also be used as DigitalIn andDigitalOut interfaces.

Debido a las características mencionadas , este microcontrolador es el indicado para implementar el algoritmo de control , leer los datos del GPS, brujula,ultrasonicos que son entradas del algoritmo de control y generar las salidas necesarias de pwm para los actuadores(motores y servomotores-en vuelo).

Para la programación del mbed se utilizó el IDE ONLINE.

Protocolos de comunicación:

SPI

Es un tipo de comunicación serie , de tipo full duplex . Fue desarrollado por Motorola. El sistema de comunicación consta de un dispositivo maestro y

otros esclavos.

Utiliza 3 lineas comunes de comunicación :

MOSI – MISO – SCLK , y una linea de selección (SS) por cada dispositivo conectado.

Comunicación entre Periféricos

El maestro genera una señal de reloj hacia los esclavos. Indicar con que esclavo se va ha comunicar , mediante la línea

SS(Slave Select). Se transmiten datos --líneas MOSI –MISO. Los parámetros clock polarity(CPOL) y clock phase(CPHA)

determinan el modo de reloj(momento de muestreo).

Interfaz de potencia

fuente de poder

Se usa una batería de Li-ion de 8.4V-2200mAh, para todo el sistema.

- datos obtenidos

DATOS OBTENIDOS DE 3 SENSORES PARA EL CONTROL DE NAVEGACION

Latitud , longitud , theta (angulo brujula al NE) , distancias de ultrasonicos

Dist= 13.6 cmI'm at -76.928169 long, -12.220953 latgrader = 89

Dist= 14.0 cmI'm at -76.928146 long, -12.220931 latgrader = 89

Dist= 13.6 cmI'm at -76.928139 long, -12.220931 latgrader = 90

Dist= 14.9 cmI'm at -76.928139 long, -12.220933 lat

grader = 89

Datos obtenidos del GPS

TRAMAS RECIBIDAS MEDIANTE LECTURA DEL GPS SERIALMENTE EN FORMATO NMEA

$GPGSV,3,1,10,29,57,224,37,14,31,268,30,12,31,133,22,21,29,342,31*74$GPGSV,3,2,10,27,55,042,,15,34,292,,25,27,207,,02,06,138,*79$GPGSV,3,3,10,31,03,214,,05,03,081,*71$GPRMC,143135.481,A,1213.2379,S,07655.6330,W,0.00,38.93,280313,,,A*5E$GPGGA,143136.483,1213.2378,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.4,M,8.8,M,,0000*64$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D$GPRMC,143136.483,A,1213.2378,S,07655.6330,W,0.17,38.93,280313,,,A*58$GPGGA,143137.481,1213.2378,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.5,M,8.8,M,,0000*66$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D$GPRMC,143137.481,A,1213.2378,S,07655.6330,W,0.15,38.93,280313,,,A*59$GPGGA,143138.481,1213.2378,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.5,M,8.8,M,,0000*69$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D$GPRMC,143138.481,A,1213.2378,S,07655.6330,W,0.00,38.93,280313,,,A*52$GPGGA,143139.483,1213.2378,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.6,M,8.8,M,,0000*69$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D$GPRMC,143139.483,A,1213.2378,S,07655.6330,W,0.15,38.93,280313,,,A*55$GPGGA,143140.483,1213.2378,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.6,M,8.8,M,,0000*67$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D$GPGSV,3,1,10,29,57,224,37,14,31,268,30,12,31,133,22,21,29,342,31*74$GPGSV,3,2,10,27,55,042,,15,34,292,,25,27,207,,02,06,138,*79$GPGSV,3,3,10,31,03,214,,05,03,081,*71$GPRMC,143140.483,A,1213.2378,S,07655.6330,W,0.00,38.93,280313,,,A*5F$GPGGA,143141.481,1213.2378,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.6,M,8.8,M,,0000*64$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D$GPRMC,143141.481,A,1213.2378,S,07655.6330,W,0.21,38.93,280313,,,A*5F$GPGGA,143142.483,1213.2377,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.6,M,8.8,M,,0000*6A$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D

- conclusiones y recomendacionesConclusiones

Para sistemas complejos como el abordado (rover Cansat), es necesario realizar un sistema distribuido de microcontroladores con tareas específicas.

$GPGSV,3,1,10,29,57,224,37,14,31,268,30,12,31,133,22,21,29,342,31*74$GPGSV,3,2,10,27,55,042,,15,34,292,,25,27,207,,02,06,138,*79$GPGSV,3,3,10,31,03,214,,05,03,081,*71$GPRMC,143135.481,A,1213.2379,S,07655.6330,W,0.00,38.93,280313,,,A*5E$GPGGA,143136.483,1213.2378,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.4,M,8.8,M,,0000*64$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D$GPRMC,143136.483,A,1213.2378,S,07655.6330,W,0.17,38.93,280313,,,A*58$GPGGA,143137.481,1213.2378,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.5,M,8.8,M,,0000*66$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D$GPRMC,143137.481,A,1213.2378,S,07655.6330,W,0.15,38.93,280313,,,A*59$GPGGA,143138.481,1213.2378,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.5,M,8.8,M,,0000*69$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D$GPRMC,143138.481,A,1213.2378,S,07655.6330,W,0.00,38.93,280313,,,A*52$GPGGA,143139.483,1213.2378,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.6,M,8.8,M,,0000*69$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D$GPRMC,143139.483,A,1213.2378,S,07655.6330,W,0.15,38.93,280313,,,A*55$GPGGA,143140.483,1213.2378,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.6,M,8.8,M,,0000*67$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D$GPGSV,3,1,10,29,57,224,37,14,31,268,30,12,31,133,22,21,29,342,31*74$GPGSV,3,2,10,27,55,042,,15,34,292,,25,27,207,,02,06,138,*79$GPGSV,3,3,10,31,03,214,,05,03,081,*71$GPRMC,143140.483,A,1213.2378,S,07655.6330,W,0.00,38.93,280313,,,A*5F$GPGGA,143141.481,1213.2378,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.6,M,8.8,M,,0000*64$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D$GPRMC,143141.481,A,1213.2378,S,07655.6330,W,0.21,38.93,280313,,,A*5F$GPGGA,143142.483,1213.2377,S,07655.6330,W,1,04,1.7,217.6,M,8.8,M,,0000*6A$GPGSA,A,3,29,14,12,21,,,,,,,,,4.5,1.7,4.2*3D

La precisión de la brújula y GPS son dos factores muy importantes en el desarrollo del control de la navegación del rover Cansat.

Actualmente el desarrollo de sensores y hardware de microcontroladores avanzados facilita el desarrollo de proyectos de alta complejidad.

Es necesario establecer una secuencia de la toma de datos de los sensores y determinar adecuadamente los tiempos de muestreo.

El sensor ultrasónico sirve para detectar obstáculos a una distancia relativamente cerca, ya que su rango no es muy grande (menor 4m).

Los protocolos de comunicación serial USART, I2C, SPI resultan muy útiles para sistemas multisensores como el abordado.

Recomendaciones