instituto politÉcnico nacional - tesis.ipn.mxtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/13784/1/tesis...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ′′ADOLFO LÓPEZ MATEOS"

′′ROBOT DE TRACCIÓN DIFERENCIAL CON NAVEGACIÓN MEDIANTE SEGUIDORDE LÍNEA Y POSICIONAMIENTO GPS "

TESIS

QUE PARA OBTENEREL TÍTULO DE INGENIERO EN:

COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTA:

Héctor Hugo Cruz MartínezElvis Augusto Luz SandovalDiego Martínez Alcántara

ASESORES:

Dr. Abraham Rodríguez MotaDr. Floriberto Ortiz Rodríguez

MÉXICO, D.F. 2013

Índice general

Lista de Figuras V

Lista de Tablas IX

Justificación XI

Planteamiento del problema XIII

Resumen XV

1. Introducción 1Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. Robótica 32.1. Robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2. Estructura Interna del Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2.1. Sistema de Control (Sistema Nervioso) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2.2. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.3. Efectores y Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2.4. Sistema de Locomoción/Manipulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Locomoción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4Manipulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3. Robótica Móvil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.4. Robot Móvil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.4.1. Robot Móvil con Ruedas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.4.2. Tipos y Características de Robots Móviles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Triciclo con Conducción Sincronizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Guiado Diferencial con Llantas y Orugas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8Direccionamiento Ackermann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.5. Actuadores Utilizados en la Robótica Móvil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Motor de CD (Corriente Directa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Motor a Pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.6. Alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.6.1. Batería LiPo (Polimero de Litio) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.7. Cinemática Aplicada a un Robot Móvil Tipo Diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

I

II ÍNDICE GENERAL

2.7.1. Posición del Robot en el Espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.7.2. Ecuaciones para la Cinemática Diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3. Control Digital 173.1. Microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.1. Microcontroladores PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Arquitectura Interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Características Principales de los Microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2. Modulación PWM (Modulación por Ancho de Pulso) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2.1. Características de la onda PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2.2. Control de un Motor de DC (Corriente Directa) mediante PWM (Modulación por An-

cho de Pulso) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3. Sistema de Control PID (Proporcional-Integrativo-Derivativo) . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4. Sensores y Transductores 234.1. Sensor Infrarrojo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.2. Sensor de Proximidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.3. Encoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.3.1. Clasificación de Encoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Encoder Optoincremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Encoder Absoluto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5. Sistemas de Posicionamiento 275.1. Sistema de Posicionamiento Global (Global Positioning System, GPS) . . . . . . . . . . . 27

5.1.1. Posicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275.1.2. Estructura de Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.1.3. Transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.1.4. Precisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.1.5. Sistema de Posicionamiento Global Diferencial (Differential Global Position System,

DGPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.1.6. Receptores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Protocolo Asociación de Electrónica Marítima Nacional (National Maritime Electro-nics Association, NMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Formato de Tramas NMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6. Diseño de Hardware 356.1. Plataforma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.1.1. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Acrílico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6.2. Placa para Fuente de Alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376.3. Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386.4. Motor de Tracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6.4.1. Ruedas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Ruedas Laterales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Rueda Frontal (Rueda Loca) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

6.5. Módulo de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

ÍNDICE GENERAL III

6.6. Sistema de Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416.6.1. Placa de Conectores para los Sensores QRD1114 y Sensores Opto-Interruptores

ITR8102 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416.6.2. Placa de Sujeción para los Sensores QRD1114 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426.6.3. Placa para el Sensor Sharp GP2Y0D810Z0F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426.6.4. Opto Interruptor ITR8102- Sensor para Detección de Velocidad . . . . . . . . . . . 436.6.5. Consideraciones Cinemáticas para el Robot Móvil con Tracción Diferencial . . . . . 43

6.7. Módulo Maestro (MM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446.8. Módulo Esclavo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456.9. Módulo GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466.10.Módulo Interfaz de Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

7. Integración y Programación del Software 497.1. Módulo Maestro (MM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

7.1.1. PIC18F4550 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557.2. Módulo Esclavo (ME) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567.3. Bloque de Potencia y Movimiento (BPM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

7.3.1. Ruedas Laterales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587.3.2. Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587.3.3. Motores Namiki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

7.4. Batería LiPo (Polímero de Litio) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607.4.1. Rueda Frontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607.4.2. Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617.4.3. Puente H L298 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

7.5. Bloque Control de Velocidad (BCV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637.5.1. Opto-Interruptor ITR8102- Sensor para Detección de Velocidad . . . . . . . . . . . 64

7.6. Bloque Seguidor de Líneas (BS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647.6.1. QRD1114 - Sensor Seguidor de Linea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

7.7. Bloque de Detección de Obstáculos (BDO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667.7.1. Sharp GP2Y0D810Z0F - Sensor para Detección de Obstáculos . . . . . . . . . . . 67

7.8. Bloque de Posicionamiento (BP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687.9. Sistema de Posicionamiento Global (Global Position System, GPS) . . . . . . . . . . . . . 687.10.Bloque Interfaz de Usuario (BIU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697.11.Interfaz de Usuario Pantalla SMART GPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

7.11.1. Iconos de Destino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717.11.2. Icono de Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727.11.3. Icono de Configuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

8. Pruebas del Funcionamiento del Robot Móvil de Tracción Diferencial Ades v. 1.0 75

9. Conclusiones 819.1. Trabajos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Bibliografía 85

Apendice B 89

IV ÍNDICE GENERAL

Apendice C 93

Índice de figuras

2.1. Composición mecánica de un robot fijo [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2. Desplazamiento lineal de la rueda [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3. Robot móvil con configuración de triciclo [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.4. Conducción y rotación de un robot con configuración de triciclo [4]. . . . . . . . . . . . . . 72.5. Esquema de la ubicación de los motores [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.6. Robots móviles con configuración diferencial [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.7. Conducción y rotación de un robot con configuración diferencial [4]. . . . . . . . . . . . . . 92.8. Robot con orugas.[4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.9. Configuración Ackerman [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.10.Tipos de motores [5][4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.11.Batería LiPo de 7.2 V a 2200 mA [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.12.Plano del movimiento cinemático de un robot móvil [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.13.Modelo cinemático del robot diferencial [7]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1. Arquitectura básica de un microcontrolador [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2. Ejemplo de PIC [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.3. Arquitectura Harvard en los microcontroladores PIC [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.4. PWM a 50 % y 20 % en ciclo de trabajo, respectivamente [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.5. Tipo y caracteríticas de la onda PWM. [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.6. Dos casos de diferentes anchos de pulso [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.7. Diagrama a bloques del PID. [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1. Ejemplo de transductor [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.2. Fotodiodo emitiendo luz infrarroja y fototransistor recibiendo la señal [13]. . . . . . . . . . 244.3. Funcionamiento básico del sensor de proximidad, luz infrarroja reflejada en el objeto llegan-

do hasta el receptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.4. Interruptor óptico [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.5. Partes que conforman a un encoder absoluto [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.1. Red satelital GPS[15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.2. Correción de errores mediante la señal DGPS [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305.3. Receptor con capacidad GPS-DGPS [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305.4. Sistemas monocanal y multicanal [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315.5. Formato de la trama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325.6. Tramado 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.7. Tramado 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

V

VI ÍNDICE DE FIGURAS

6.1. Sistema Tipo Diferencial [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356.2. Distribución Fisica de los Componentes del primer nivel del Chasis del robot móvil Tipo

Diferencial [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366.3. Placa para Fuente de Alimentación [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376.4. Batería LiPo de 7.2 V a 2200 mA [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386.5. Motorreductor Namiki empleado en el Robot Móvil Tipo Diferencial [18]. . . . . . . . . . . . 386.6. Llantas con goma de caucho [19]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.7. Rueda loca Tipo Bola. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406.8. Puente H L298 [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416.9. Placa de Conectores para Sensores QRD1114 y Opto-Interruptores ITR8102 . . . . . . . 416.10.Distribución de los Sensores QRD1114 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426.11.Sharp GP2Y0D810Z0F [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426.12.Interruptor Optico ITR8102 [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436.13.Módulo Maestro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456.14.Módulo Esclavo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456.15.Distribución Física de los Componentes del segundo nivel del Chasis del Robot Móvil Tipo

Diferencial [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466.16.Modulo Adafruit GPS MTK3339 [20]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466.17.Pantalla SMART GPU [21]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

7.1. Robot móvil con tracción diferencial Ades v 1.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497.2. Diagrama a bloques del movimiento cinemático del prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . 497.3. Trayectoria del prototipo hacia la derecha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507.4. Trayectoria del prototipo hacia la izquierda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507.5. Trayectoria del prototipo en línea recta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517.6. Algoritmo general sintetizado del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517.7. Diagrama de flujo de la subrutina 1 del funcionamiento del GPS y el modo de selección de

destino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527.8. Diagrama de flujo de la subrutina 2 del funcionamiento del GPS y el modo de selección de

destino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527.9. Diagrama a bloques de la composición del robot móvil diferencial . . . . . . . . . . . . . . 537.10.Diagrama a bloques del módulo maestro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547.11.Circuito armado para el módulo maestro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547.12.Diagrama de pines del PIC18F4550 [22]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567.13.Diagrama a bloques del módulo esclavo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577.14.Circuito armado para el módulo esclavo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587.15.Diámetro de las llantas y acoplación para los motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587.16.Colocación de los motores en el robot móvil diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597.17.Cables de alimentación para el motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597.18.Ubicación de la rueda frontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607.19.Localización de los pines de conexión del driver tipo puente H L298 . . . . . . . . . . . . 617.20.Función de los pines del puente H L298 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617.21.Tipo de señal PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627.22.Ubicación del optointrruptor y el encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637.23.Diagrama de bloques para la lectura de pulsos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

ÍNDICE DE FIGURAS VII

7.24.Diagrama a bloques para la rutina de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647.25.Rutina gráfica del seguidor de línea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657.26.Muestra de giro para el robot móvil diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657.27.Placa armada para los conectores de las sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667.28.Ubicación de pines de conexión del sensor SHARP GP2Y0D810Z0F . . . . . . . . . . . . 677.29.Diagrama a bloques para la detección de obstáculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677.30.Sharp GP2Y0D810Z0F [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677.31.Ubicación de pines para la comunicación GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687.32.Ubicación de pines utilizados por la pantalla SMART GPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707.33.Esquema del menú principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707.34.Esquema de los iconos de destino para el robot móvil diferencial . . . . . . . . . . . . . . 717.35.Esquema del icono de base para el robot móvil diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727.36.Esquema del icono de configuración para el usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727.37.Imágen del plano para la búsqueda de posición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737.38.Imagen de llegada a destino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

8.1. Plano de la ESIME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 758.2. Plano de la trayectioria en el edificio 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 758.3. Configuracion de coordenadas de destino mostradas en la Pantalla SMART GPU . . . . . 768.4. Coordenadas de destino mostradas en la Pantalla SMART GPU . . . . . . . . . . . . . . . 768.5. Trayectoria dentro de un edificio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 778.6. Selección del destino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 778.7. Imagen de muestra para la configuración de módulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788.8. Imagen de muestra para el menú . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788.9. Muestra de recorrido del robot móvil con tracción diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . 788.10.Muestra de recolección de documentos al llegar a su punto de destino . . . . . . . . . . . 798.11.Circuito de pruebas para el recorrido del robot móvil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 808.12.Prueba de la deteccion de un obstaculo en el recorrido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

VIII ÍNDICE DE FIGURAS

Índice de Tablas

5.1. Precisión necesaria [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

7.1. Funcionamiento del Motor 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627.2. Funcionamiento del Motor 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

8.1. Coordenadas correspondientes a los destinos programados del sistema. . . . . . . . . . . 778.2. Velocidades requeridas en los motores para los distintos movimientos. . . . . . . . . . . . 79

IX

X ÍNDICE DE TABLAS

Justificación

En la actualidad, la robótica ha tenido un crecimiento exponencial en distintos aspectos que van desdela ingeniería aeroespacial, la industria, hasta la vida cotidiana. Los robots pueden tener diferentes aplica-ciones dependiendo de su diseño, como por ejemplo un robot fijo de carga o manipulación de objetos, omóvil aéreo, marítimo y terrestre, entre otros.

Sus objetivos son definidos de acuerdo al uso específico con que sean utilizados los cuales van des-de transportar objetos, documentos o personas de reconocimiento de área o superficie; la vigilancia deperímetro o circuito cerrado.

Sea cual sea su misión, un robot móvil debe cumplir con ciertas características para realizar su la-bor de manera adecuada: reconocer el entorno físico donde se encuentra para poder seguir su caminoadecuadamente y evitar alguna colisión con un objeto que se pueda interponer en su camino, tener unmonitoreo continuo de la posición geográfica en el que se encuentra, poseer un control de velocidad pro-pio que le permita realizar su diligencia en un tiempo adecuado.

De forma particular, los robots móviles terrestres pueden ser implementados como medio de trans-porte de pasajeros o materiales, vigilancia de un perímetro, etc. Para realizar estas actividades el móvilrequiere una cierta autonomía por lo que debe conocer, entre otras cosas, su posición actual y la direccióna la que tiene que dirigirse. Además debe ser capaz de evitar alguna colisión con un objeto que pudieraobstruir su camino. Finalmente debe de tener una interfaz amigable para su usuario, el cual le asignarauna tarea determinada que el robot deba cumplir de acuerdo a sus características específicas.

Por estos motivos el diseño y control del dispositivo a base de microcontroladores, además de unSistema de Posicionamiento Global (GPS) para su ubicación, y un sistema de sensores que le permitanal robot reconocer el entorno donde se desenvuelve, puede cumplir satisfactoriamente los requerimientosgenerales para un robot móvil destinado al transporte.

XI

XII ÍNDICE DE TABLAS

Planteamiento del problema

En la actualidad, las aplicaciones de dispositivos móviles autónomos incluyen un amplio espectro delas actividades humanas, desde usos recreativos hasta militares y de investigación. Sus objetivos sondefinidos de acuerdo al uso específico con que sean utilizados los cuales van desde transportar objetos,documentos o personas de reconocimiento de área o superficie; la vigilancia de perímetro o circuito ce-rrado. Sea cual sea su misión, un robot móvil debe cumplir con ciertas características para realizar sulabor de manera adecuada: reconocer el entorno físico donde se encuentra para poder seguir su caminoadecuadamente y evitar alguna colisión con un objeto que se pueda interponer en su camino, tener unmonitoreo continuo de la posición geográfica en el que se encuentra, poseer un control de velocidad pro-pio que le permita realizar su diligencia en un tiempo adecuado, contar con una interfaz agradable para elusuario que le asignara su tarea al robot y considerar una fuente de alimentación adecuada de acuerdo ala duración de la tarea especificada.

Por estas razones este proyecto propone el diseño de un robot móvil de tracción diferencial controladopor un microcontrolador, con un sistema de posicionamiento geográfico, un conjunto de sensores que lepermitan seguir una línea dibujada sobre una superficie, un sensor que permita evitar una colisión con unobjeto que se encuentre frente al dispositivo, además de una interfaz de asignación de tareas a través deuna pantalla táctil.

Así, el robot móvil diseñado es capaz de moverse a través de un circuito implementado en una super-ficie plana que recorra todo un complejo mobiliario; además puede ser configurado para elegir el lugar alcual se requiera llegar mediante coordenadas previamente identificadas evitando llegar a un destino inco-rrecto. Dado que el recorrido del robot móvil, como el de cualquier medio de transporte, puede presentarobstáculos, el sistema cuenta con la capacidad de detectar un objeto frente a él y evitar así una colisión.

La tecnología hoy en día crece a cada instante y debido a esto el ser humano debe aprovechar lo quese tiene al alcance de las manos para facilitar todo tipo de necesidades que se requieran.

XIII

XIV ÍNDICE DE TABLAS

Resumen

Desde hace ya varias décadas la robótica ha tenido un fuerte impacto en la sociedad, no sólo enel sector manufacturero de la economía, ya que la automatización juega un papel muy importante enmuchas disciplinas de la vida diaria. La robótica logra sustituir el trabajo humano en labores que sonpeligrosas, insalubres, cansadas y aún imposibles de realizar por trabajadores humanos. En efecto, losrobots suelen soportar más peso que un humano, pueden también ejercer más fuerza que éste, ademásde que las máquinas realizan de mejor manera tareas repetitivas que a los humanos normalmente lesresultan tediosas, molestas y por ende peligrosas. Hoy en día, es más difícil contar con la infraestructuramaterial adecuada para estas actividades en áreas que, como ésta, tienen una componente tecnológicafuerte, debido a los altos costos de inversión, operación y mantenimiento.

En esta tesis se presenta el diseño y funcionamiento de un robot móvil de tracción diferencial en formade carro que puede soportar un peso de hasta 5 kg. Una característica principal del robot móvil es la ca-pacidad de posicionarse mediante la tecnología del Sistema de Posicionamiento Global (GPS), ademásde contar con un sistema seguidor de línea el cual le alcanzar distintos destinos incluidos dentro de unao varias rutas definidas. Así mismo, el sistema incorpora un detector de objetos para evitar colisiones yprevenir así que el móvil llegue a dañarse.

Para la asignación de tareas, se desarrolló una interfaz a través de la cual el usuario puede configurary establecer un destino al cual el robot deberá llegar. El robot móvil está diseñado de tal forma quemantenga una velocidad constante y realice todos los trayectos a los que tiene que llegar en un tiempopromedio.

XV

XVI ÍNDICE DE TABLAS

Objetivos

Generales

Diseñar y construir un robot móvil de tracción diferencial con navegación autónoma, utilizando un sis-tema seguidor de línea y localización a través de un módulo GPS, el cual se traslade sobre superficiesplanas regulares.

Particulares

1. Construir un robot móvil de tracción diferencial.

2. Diseñar un módulo de posicionamiento utilizando la tecnología de Sistema de Posicionamiento Glo-bal (GPS).

3. Construir un sistema seguidor de línea.

4. Diseñar una interfaz de usuario que permita seleccionar un punto de destino.

XVII

Capítulo 1

Introducción

En la presente tesis se presenta el desarrollo un robot móvil el cual permite realizar viajes dentro dealgún complejo mobiliario o lugar. El móvil recorrerá un circuito que incluye varias estaciones donde elrobot deberá detenerse. Mediante un módulo del robot que contiene un receptor de Sistema de Posicio-namiento Global (GPS), el móvil podrá ser configurado por el usuario desde un punto de inicio (almacén)para elegir un punto de destino, realizando un recorrido a través del circuito deteniéndose en las estacio-nes pre-configuradas y retornara al almacén. El robot móvil tendrá la capacidad de detectar un objeto queobstruya su camino, y esperar hasta que este objeto sea retirado y continuar su camino.

De esta manera, en el capítulo 2 se destina a describir los conceptos básicos acerca de los robotsmóviles, de cómo están conformados, la estructura interna, así como los tipos de sensores que hay paraser aplicados en los robots móviles. En este mismo capítulo se aborda el tema de locomoción, con mayorénfasis en el direccionamiento diferencial con llantas. Así mismo, se describe el funcionamiento de unrobot móvil desde su modelo matemático y sus variables.

En el capítulo 3, se aborda el tema de control digital presentándose las características tanto generalescomo específicas de los controladores, así como su arquitectura. En este mismo capítulo, se describe unavariedad de microcontroladores denominados Controlador Interfaz Periférico (PIC). También, se hace unabreve descripción de la técnica de Modulación por Ancho de Pulso (PWM), y su uso con los microcontro-ladores. En la parte final de este capítulo se presentan los principios fundamentales sobre el controladorProporcional Integral Derivativo (PID) y el significado que tiene en la teoría de control.

Posteriormente, en el capítulo 4 se presentan aspectos básicos sobre los elementos sensores, resal-tando las características de los sensores infrarrojos. Se brinda atención particular a los sensores infrarro-jos ya que permiten construir encoders.

El Sistema de Posicionamiento Global mejor conocido por sus abreviaturas como GPS, se presenta enel capítulo 5, considerando sus características, las tramas que manda y recibe, además del proceso com-pleto de cómo se transmite y se recibe una señal en el módulo. Adicionalmente, se explica el proceso deposicionamiento del GPS y la teoría que se usa para conocer el posicionamiento de cualquier coordenada.

En el capítulo 6, se presenta a detalle el proceso de diseño y ensamble final del robot móvil desde elpunto de hardware mecánico y electrónico. De forma más específica, se presenta el diseño de la plata-

1

2 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

forma mecánica considerando el espacio requerido para el montaje de los componentes electrónicos, asícomo el cálculo para la selección de las llantas de tracción y la posición de la rueda libre de acuerdo a losrequerimientos del sistema de tracción diferencial propuesto. Así mismo, se aborda las consideracionespara la ubicación y montaje físico de sensores, motores, llantas y baterías del sistema.

En el capítulo 7, se detalla la integración y programación del software, así como el modelo matemáticoaplicado al sistema, el comportamiento del robot móvil, la relación entre el módulo Maestro y el móduloEsclavo, la parte de potencia y movimiento en conjunto a los sensores infrarrojos para el seguilineas y losencoders. También se incluye en este capítulo las características y especificaciones del microcontroladorempleado en el robot móvil y la parte de control de velocidad. Por último, se aborda la técnica de posicio-namiento del robot con el GPS y la interfaz que el usuario tiene con el robot móvil.

En el capítulo 8 se presentan las pruebas de operación del sistema en funcionamiento, detallándoseaspectos como la interfaz de usuario, aspectos mecánicos del giro del sistema, el posicionamiento GPSy el funcionamiento del seguilineas.

Por último, el capítulo 9 desglosa las conclusiones generales y particulares de este desarrollo, lasventajas y las posibilidades de desarrollo futuro del sistema propuesto.

Capítulo 2

Robótica

La robótica se define como la rama de la inteligencia artificial que estudia, diseña, opera y mantienelos sistemas automáticos capaces de establecer una interacción directa con el medio físico. Es un campode trabajo que combina diferentes disciplinas como Ingeniería Eléctrica, Ingeniería Electrónica, Ingenie-ría Mecánica, Ciencias de la Computación, Matemáticas, Física, Biología, Neurociencias, etc. Entre lasdisciplinas relacionadas se encuentran la Visión Computacional, Inteligencia Artificial/Computacional, Ci-bernética (Control + Ciencias de la Información + Biología) y la Mecatrónica (Mecánica + Electrónica +Computación) [23].

2.1. Robots

Un robot es un manipulador reprogramable multifuncional diseñado para mover materiales, piezas odispositivos especializados, por lo que un robot debe poseer inteligencia que lo proveen de movimientosprogramados variables para la realización de una diversidad de tareas asociados a un sistema de controly sensorial. Los robots pueden ser clasificados como: fijos o industriales y móviles [24].

2.2. Estructura Interna del Robot

Un robot esta construido por diversas partes que le proporcionan autonomía en el medio donde interac-túa. Un robot está formado por: Sistema de control (sistema nervioso), efectores y actuadores, sensores,y un sistema de locomoción/manipulación [23].

2.2.1. Sistema de Control (Sistema Nervioso)

La tarea de este sistema es la de controlar las acciones que ejecuta el robot, de tal forma que puedacumplir con la tarea asignada, considerando la información del medio ambiente que lo rodea. El sistemade control puede variar en la complejidad de su diseño, al igual como varia el sistema nervioso de losanimales, cuando el sistema capta la información del medio que lo rodea provoca una respuesta queactiva las acciones a desarrollar de un robot [23].

3

4 CAPÍTULO 2. ROBÓTICA

Las diferentes estrategias de control que pueden ser utilizadas se dividen en: Control reactivo (nopiensa, reacciona),control deliberativo (piensa intensamente, luego actúa), control híbrido (Piensa y actúaindependientemente, en paralelo), control basado en la conducta (Piensa en la forma en que actúa).

2.2.2. Sensores

Los sensores son dispositivos físicos que miden cantidades físicas. Su principal objetivo de los sen-sores es proporcionar información a los robots del medio que rodea, esta función es muy parecida a la delos sentidos del humano. Los sensores proveen señales del medio que los rodea, estas señales debenser procesadas (ej. digitalizadas, filtradas) para que el robot pueda entender la información del medio.Los sensores de los robots pueden ser manejados de forma activa (busca objetos en su medio ambiente)o pasiva (capta información del medio ambiente) [23]. El tipo de percepción que puede tener un robotpuede ser dividida en: Propiopercepción: Sensa estados internos (ej. tensión de los músculos, posiciónde un motor), Exteropercepción: Sensa estados externos (ej. visión, audición).

2.2.3. Efectores y Actuadores

Un efector corresponde a cualquier dispositivo que afecte o modifique al medio ambiente. Los efecto-res robóticos más comunes son piernas, ruedas, brazos, dedos y pinzas. Un efector robótico esta siemprebajo el control del robot. Si el robot tiene efectores se necesita que algún mecanismo los mueva, por locual entraría un actuador, que es un mecanismo que permite al efector ejecutar una acción. Ejemplos deactuadores robóticos son motores eléctricos (servomotores, motor de paso, de corriente continua, etc.),cilindros neumáticos y cilindros hidráulicos [23].

2.2.4. Sistema de Locomoción/Manipulación

Los robots pueden tener un sistema de: locomoción y/o de manipulación. El sistema de locomociónpermite que el robot se mueva. El sistema de manipulación permite que el robot pueda mover o alcanzarobjetos que estén cerca de él. En base a estas características los robots se dividen en robots móviles ymanipuladores robóticos [23].

Locomoción

Los tipos de efectores que pueden ser utilizados para locomoción son: Piernas/patas (para caminar,gatear, trepar, saltar, rebotar), Ruedas (para rodar), Brazos (para trepar, gatear, colgar), Aletas (para na-dar). La locomoción en base a piernas es mucho más complicada que la en base a ruedas, esto se debea que existen problemas de estabilidad. Existen dos tipos de estabilidad: estática y dinámica [23]. La es-tabilidad estática implica que el robot puede estar parado sin caerse, en cuanto a la estabilidad dinámicaimplica que el robot puede desplazarse sin caerse.

Manipulación

El objetivo de un manipulador robótico es mover parte de su cuerpo de tal forma que uno de susefectores (ej. mano, dedo, pinza) alcance una posición y una orientación dada en el espacio. Esto con

2.3. ROBÓTICA MÓVIL 5

el objetivo de tomar o tocar algún objeto. Los manipuladores robóticos más comunes son los brazosrobóticos. Para conectar las partes de los manipuladores se necesitan uniones, de las cuales las máscomunes son: rotacional (rotación alrededor de un eje fijo) y prismática (movimiento lineal) [23]. Con basea las diversas partes internas que construyen un robot, este tendrá diversas aplicaciones, lo que lo ubicaen dos grandes grupos: en robots fijos y en robots móviles. Un robot fijo lleva a cabo tareas que puedenser pesadas o peligrosas para el hombre, son usados en su mayoría en el sector industrial realizandotareas repetitivas, aunque también son usados como robots de servicio (médicos, domésticos, ayudaa discapacitados, limpieza, vigilancia, etc). Un robot industrial o fijo es un manipulador de uso generalcontrolado por computadora que consiste en algunos elementos rígidos conectados en serie mediantearticulaciones prismáticas o de revolución. El final de la cadena de articulaciones esta fijo a una basesoporte, mientras el otro extremo está libre y equipado con una herramienta para manipular objetos orealizar tareas de montaje [24]. Por lo general un robot fijo se compone de un brazo y una muñeca, elbrazo en su mayoría se puede mover con tres grados de libertad y la muñeca consta normalmente de tresmovimientos giratorios. La Figura 2.1 muestra la composición mecánica de un robot fijo.

Figura 2.1: Composición mecánica de un robot fijo [1].

2.3. Robótica Móvil

Este capítulo presenta los fundamentos teóricos relacionados con la robótica móvil, aunque existendiferentes tipos de robots móviles (bípedos, hexápodos, acuáticos, entre otros), por el contexto de estetrabajo solo se describe a detalle la configuración de robot móviles sobre ruedas. Finalmente, se descri-ben el hardware de uso común en la robótica móvil y algunas técnicas para dotar de inteligencia artificiala un robot móvil [25].

La robótica móvil es un área de investigación, la cual manifiesta la necesidad de extender el campode la robótica académica e industrial, cuyo objetivo es el desarrollo de robots móviles autónomos, coninteligencia, interacción y apariencia; que puedan desenvolverse en ambientes dinámicos, a la vez querestringe todo lo posible la mediación con el ser humano [26] [27]. La autonomía de un robot móvil consisteen que el robot contenga un grado suficiente de inteligencia que le permita ser reactivo a una variable,identificar el origen de la fuente y tomar decisiones basándose en la información proporcionada del medio.Un robot móvil autónomo no tiene una trayectoria prevista, al mismo tiempo en que el entorno en el que


se tiene que guiar no es conocido, el único conocimiento que tiene el robot de su medio es mediantesensores o por medio de comunicación satelital (GPS), con el fin de conseguir los objetivos programados[4], y un robot móvil sin autonomía ya tiene una trayectoria prevista, ya sabe que tarea tiene que realizar.En el desarrollo de un sistema robótico se tiene que tener en cuenta que este se compone por varioselementos adicionales que se pueden dividir en: mecánica, electrónica, parte de control (actuadores ysensores).

2.4. Robot Móvil

Un robot móvil es aquel dispositivo formado por hardware ó componentes físicos y software ó sistemascomputacionales. La operación de un robot móvil puede ser dividida en cuatro esquemas que integran lacapacidad móvil del robot que son: el cómo se mueve el robot en su entorno (locomoción), como midepropiedades de sí mismo y de su entorno (percepción), como actúa en el sistema físico (control), comotransforma medidas del mundo exterior en acciones a realizar (razonamiento) y la comunicación condiferentes robots o con un operador externo (comunicación) [25].

2.4.1. Robot Móvil con Ruedas

Según el tipo de locomoción, un robot móvil se clasifica en tres tipos de movimientos que son: porruedas, por patas y orugas. Los robots con ruedas tienen aplicaciones diversas tales como: exploracio-nes diversas, reconocimiento de terreno, inspección y control de producción a distancia. La diferencia alusar ruedas en vez de patas y orugas en un robot móvil, es que existe un mayor ahorro de energía enel desplazamiento en superficies lisas y firmes, las ruedas no causan desgaste en las superficies dondese desplazan, otra diferencia es que el uso de ruedas reduce el uso de partes en el robot, ya que al usarpatas y orugas se requiere un mayor número de partes. [25].

Las ruedas del robot móvil se mueven por el contacto superficial (o fricción con la superficie) comose muestra en la Figura 2.2 , idealmente, se desplaza 2π(r) por vuelta sobre la superficie (∆d). El robotpuede tener varias ruedas para lo cual es importante estudiar su giro [25].

Figura 2.2: Desplazamiento lineal de la rueda [2].

2.4. ROBOT MÓVIL 7

2.4.2. Tipos y Características de Robots Móviles

Como punto de partida para el diseño de un robot móvil se puede óptar por la elección del tipo deconfiguración que se desea utilizar, considerando los elementos que lo conforman: la plataforma, ruedas,motores, etc. La configuración con la que se realice el diseño del robot móvil determinará la eficienciaenergética, dimensiones, cargas útiles y maniobrabilidad [28]. A continuación se presentarán algunasconfiguraciones y características más importantes de robots móviles sobre ruedas, de las cuales se tiene:triciclo con conducción sincronizada, guiado diferencial con llantas, guiado diferencial con orugas, direc-cionamiento Ackerman y guiado omnidireccional.

Triciclo con Conducción Sincronizada

Este mecanismo cuenta con dos llantas pasivas y una llanta que tiene la capacidad de impulsar ydireccionar, este sistema es muy simple de construir y al necesitar tres puntos de contacto dará unaestabilidad en la plataforma [4]. Este tipo de configuración se presenta en la Figura 2.3.

Figura 2.3: Robot móvil con configuración de triciclo [3].

Para que vaya en linea recta la configuración de triciclo, es necesario que la llanta frontal este po-sicionada en el centro de la plataforma y debe de ser impulsada a la velociada deseada, por lo que lavelocidad lineal en este tipo de robot esta completamente desacoplada, provocando un complejo manejode la cinemática en él. Este arreglo no permite al robot dar giros sobre su centro de gravedad, por estarcolocada la dirección al frente de la plataforma el máximo giro será la distancia entre la llanta delantera yel punto medio de las llantas traseras, como se ilustra en la Figura 2.4 [4][25].

Figura 2.4: Conducción y rotación de un robot con configuración de triciclo [4].


Guiado Diferencial con Llantas y Orugas

Un robot móvil tipo diferencial cuenta con dos motores fijos, uno montado sobre la llanta derechadel robot y el otro sobre la llanta izquierda del robot, como se muestra en la Figura 2.5, en donde ambostienen la capacidad de impulsar independientemente al robot [4]. A este diseño le es necesario utilizar unao dos llantas pasivas adicionales, dependiendo de la localización de los motores, contribuyen a mantenerel balance en el robot tipo diferencial.

Figura 2.5: Esquema de la ubicación de los motores [4].

Un robot móvil tipo diferencial es mecánicamente más simple que un robot móvil tipo triciclo, ya quesolo se requiere que cualquiera de los dos motores se haga rotar para cambiar la orientación del robotmóvil. Sin embargo, el control del desplazamiento del robot móvil tipo diferencial es más complejo que elrobot móvil tipo triciclo debido a que se requiere siempre de la coordinación de ambos motores. La Figura2.6 muestra un robot móvil con guiado diferencial.

Figura 2.6: Robots móviles con configuración diferencial [4].

Al usar solo una llanta pasiva, no podrá disponer de una llanta con motor en el centro del robot porrazones de estabilidad, así cuando se hace girar, el robot rotará en el punto medio donde están losmotores. Si se colocan dos llantas pasivas, una en la parte frontal y otra en la parte posterior permiteque el robot gire sobre su centro de gravedad. Sin embargo, este diseño puede introducir problemas dedireccionamiento debido a que el contacto con la superficie tiene cuatro puntos de soporte. La Figura2.7 muestra el desplazamiento del robot en función de la velocidad de sus motores, si se requiere queel robot se desplace en línea recta, se tiene que hacer rotar ambos motores a la misma velocidad, si

2.4. ROBOT MÓVIL 9

uno de los motores tiene una mayor velocidad que el otro, el robot se desplazará formando un arco, y siambos motores giran a la misma velocidad pero en dirección opuesta, ocacionará que el robot gire sobresu propio centro de gravedad [4][25].

Figura 2.7: Conducción y rotación de un robot con configuración diferencial [4].

Un caso especial de robots con guiado diferencial son los que emplean orugas en lugar de llantas,la única diferencia que presentan, es una mejor estabilidad en terrenos rugosos y alta fricción al girar,debido a sus múltiples puntos de contacto con la superficie, la Figura 2.8 muestra un robot con orugas.

Figura 2.8: Robot con orugas.[4]

Direccionamiento Ackerman

Este diseño es usado en la industria del automóvil. Poseé dos ruedas traseras de tracción y dos rue-das delanteras para la dirección. Esta configuración, ver Figura 2.9, es más estable ya que está creadapara evitar el derrape de las ruedas. Las llantas traseras son las impulsadas por un mismo motor conun complejo sistema de engranaje para hacer rotar ambas llantas y el desplazamiento en línea recta nopresenta ningún problema, gracias a esta configuración. Este robot no puede girar sobre su centro degravedad [4][25].

Figura 2.9: Configuración Ackerman [4].


2.5. Actuadores Utilizados en la Robótica Móvil

Los músculos de un robot son los actuadores, los cuales generan fuerzas para mover la estructura yconvierten la energía de alimentación en movimiento. En la actualidad se ha extendido el uso de motoreseléctricos en la robótica móvil, existen básicamente tres tipos de motores de uso común, mostrados en laFigura 2.10. Estos motores pueden ser de a) corriente directa, b) motores a pasos y c) servomotores [27].

Figura 2.10: Tipos de motores [5][4]

La selección de un motor obedece al tipo de robot que se pretende desarrollar. A continuación semencionarán las caracteristicas de uso de los motores que más se emplean en la robótica móvil.

Motor de CD (Corriente Directa) :

Es una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o algún trabajo mecánico; a través demedios electromagnéticos. La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad deregular la velocidad desde vacío a plena carga [4][29][30], puede ser utilizado para cualquier diseño, esideal para robots grandes, al ser demasiado rápido se provee de un tren de engranaje reductor y propor-ciona un manejo de control complejo, mediante PWM (Modulación por Ancho de Pulso).

Motor a Pasos:

A diferencia de un motor DC, que solo tiene una bobina y que empieza a girar apenas se le conectala alimentación, con una velocidad que varía de acuerdo con el voltaje aplicado; los motores de pasos tie-nen cuatro bobinas y avanzan o retroceden solo un pequeño ángulo de giro, llamado ángulo de paso, porcada combinación de voltaje aplicada en sus bobinas [4], recomendado para robots ligeros, generalmentepara seguidores de línea o solucionadores de laberintos, control preciso de velocidad, proporcionan bajapotencia y mucha demanda de corriente y con un control complejo necesario.

Servomotor:

Los servomotores son otro tipo de motor que gira un ángulo determinado máximo de 180o. A diferen-cia de los motores a pasos (que giran un ángulo gracias a su construcción), los servomotores giran unángulo mediante un control electrónico. Un servomotor posee un motor de corriente continua, un circuitoelectrónico de control y una reductora de engranajes [4][31]. Usado principalmente para robots pequeñosy articulados, es un motor de CD que cuenta con un tren de engranaje dentro de un encapsulado, control

2.6. ALIMENTACIÓN 11

complejo, mediante PWM, inconvenientes para el control de velocidad y su capacidad para soportar unbajo peso.

2.6. Alimentación

En el mercado existen diferentes tipos de baterías que son de uso general pero para el caso de ro-bots móviles o ya sean carros móviles se necesitan baterías con más cualidades además de una mayordemanda de corriente así como manejo de voltajes más altos. A continuación se mencionarán las 2 prin-cipales fuentes de alimentación las cuales son las más usadas y recomendadas para los robots móviles[32].

2.6.1. Batería LiPo (Polimero de Litio)

La Figura 2.11 muestra una batería LiPo que es de alta potencia, es ideal para alimentar gran cantidadde dispositivos de alto consumo como motores, servomotores y aparatos electrónicos de robótica, sonmuy ideales para usar como fuente de alimentación en robots móviles. El voltaje es lo suficientementebajo como para no dañar los circuitos de regulación. Presenta un conector de alimentación compatiblecon el conector de entrada de tensión externa de las placas Arduino o de algún otro microcontrolador. Labatería tiene dos celdas y salidas de 7,4 V y 3.6 V y entrega una corriente de hasta 2200 mA [33].

Figura 2.11: Batería LiPo de 7.2 V a 2200 mA [6]

Existen otras baterías LiPo que sirven especialmente para alimentar los actuadores controlados por loscontroladores CM-510 o CM-700 de los sistemas Bioloid Premium y Dynamixel, de 11,1V y una capacidadde 1000 mA. Control embebido para proteger de sobrecargas, descargas y exceso de corriente [33]. Lasprincipales caracteristicas es que se puede cargar hasta 1.000 veces, con un conector compatible con lasplacas Arduino, de tamaño: 103 x 34 x 15 mm, dos celdas: 7.2 V y 3.6V y corriente de 2200mA. Disponede protección embebida interna que permite que la batería se cargue con un alimentador de potencia de9 V CC utilizando el conector compatible con Arduino. No se requiere cableado y conectores adicionalesni cargadores de batería especializados en 2 o 3 celdas balanceadas LiPo [33].


2.7. Cinemática Aplicada a un Robot Móvil Tipo Diferencial

El objetivo de la cinemática es el estudio del movimiento del robot en función de su geometría. Lasruedas difieren en tracción y dirección y por tanto sus propiedades cinemáticas cambian. En base al sis-tema de propulsión se puede cálcular las propiedades cinemáticas, este sistema de propulsión le permiteal robotmóvil moverse alrededor de un determinado entorno. El sistema que usualmente se utiliza para elmovimiento del robot móvil es el que se basa en simples ruedas de tracción, ya que el mismo es adecuadopara la navegación en los entornos de desarrollo típico de las actividades del ser humano, y además esun sistema poco complejo para el cálculo de las propiedades cinemáticas. De la distintas configuracionesbasadas en ruedas de tracción, la más popular ha sido la configuración diferencial. En base al sistema depropulsión y de la información de los codificadores rotativos que usualmente llevan acoplados a sus rue-das se puede estimar la posición del robot móvil a partir de las ecuaciones geométricas de la cinemática[34].

2.7.1. Posición del Robot en el Espacio

En la Figua 2.12, se presenta un robot donde sus ruedas hacen contacto con el suelo, por lo tanto secomporta como una articulación planar de 3 grados de libertad: posición en el plano (X,Y) y orientaciónθ que describe el ángulo que forma el eje de simetría del móvil respecto al eje X positivo, ωd y ωi sonlas velocidades angulares de las llantas derecha e izquierda, respectivamente, mientras que r es el radiode las llantas y 2l es la separación entre ellas. De esta manera, idealmente e independiente de dondecomience su trayectoria, un robot debe tener la capacidad de moverse a cualquier posición y orientación(x,y,θ ), pudiendose determinar la velocidad lineal V y angular del robot diferencial mediante la cinemática[25].

Figura 2.12: Plano del movimiento cinemático de un robot móvil [2].

La velocidad lineal de cada rueda se obtiene multiplicando la velocidad angular por el radio de las

2.7. CINEMÁTICA APLICADA A UN ROBOT MÓVIL TIPO DIFERENCIAL 13

ruedas, es decir:

vi = ωir y vd = ωdr

Entonces la velocidad V del robot queda definida por:

V =Vi + Vd

2=Wir +Wdr

2

2.7.2. Ecuaciones para la Cinemática Diferencial

Para controlar el giro de un robot móvil se deben considerar algunas relaciones de gran importanciacon respecto a la cinemática diferencial con tres puntos de apoyo, donde se tendrá una llanta delante-ra pasiva y dos llantas traseras de tracción que tienen acoplados dos motores DC independientes. Latraslación y la rotación de este tipo de plataformas diferenciales están determinados por el movimientoindependiente de cada una de las ruedas de tracción.

Figura 2.13: Modelo cinemático del robot diferencial [7].

Se parte de la ecuación general para la velocidad de una rueda, ecuación 1.1

vi = ωir y vd = ωdr 1.1

Al tener la posición inicial del robot móvil, basado en la Figura 2.13

Sr = (a+ L)θ = aθ + Lθ 1.2Vi = rθi 1.3Vd = rθd 1.4

Lo primero que se calcula es Si, que se refiere a la distancia que recorre la rueda izquierda, Sr que esla distancia recorrida por la llanta derecha y S definida como la distancia por el punto central del robot.

Si = aθ 1.5Sd = (a+ L)θ 1.6S = θR 1.7


En la ecuación 1.7 , R es el radio de curvatura instántaneo de la trayectoria del robot.En seguida se reemplaza el resultado de la ecuación anterior en la ecuación.

Sd = Si + Lθ 1.8

Ahora se deriva la ecuación 1.8 para obtener ω, dando como resultado:

Vd = Vi + Lω 1.9

Se despeja ω de la ecuación 1.8, obteniendo:

ω =Vd − ViL

1.10

Ahora se suman las ecuaciones 1.5 y 1.6, resultando:

Si + Sd = 2aθ + Lθ = 2θ(a+L

2) 1.11

Donde:

R = a+L

21.12

Ahora se remplaza la ecuación 1.7 en la ecuación 1.11, obteniendose:

S =Si + Sd

21.13

Si se deriva la ecuación ,se obtiene la velocidad resultante, de la siguiente forma:

v =Vd + Vi

21.14

Cálculo de R:

Al derivar la ecuación 1.7 se obtiene lo siguiente:

v = Rω 1.15

entonces, al remplazar las ecuaciones 1.10 y 1.14 en la ecuación anterior, se obtiene:

R =L

2(Vd + ViVd − Vi

) 1.16

Al analizar la ecuación 1.16, R = cuando Vd = Vi, quiere decir que el ICC Índice de ComportamientoCinemático como se muestra en la Figura 2.13 se encuentra en el infinito o que el robot móvil diferencial

2.7. CINEMÁTICA APLICADA A UN ROBOT MÓVIL TIPO DIFERENCIAL 15

se moverá en línea recta. Si Vd = −Vi y R = 0, indica que el ICC se encuentra en el centro del robot ypor lo tanto girará en su propio eje central.

A partir de las ecuaciones 1.10 y 1.14 se obtiene s:

S=

(vω

)=

Vd + Vi

2Vd − ViL

=

1

2

1

2−1

L

1

L

(

ViVd

)1,17

Así, las ecuaciones cinemáticas del punto medio del eje entre las ruedas activas, referidas a un siste-ma de referencia global son:

x = V (t)cosθ(t) 1.18

y = V (t)sinθ(t) 1.19

θ = W (t) 1.20

Donde x, y y θ se refieren a la derivada respecto al tiempo de x, y, y θ, respectivamente. Es decir, serefiere a la velocidad lineal V (t) en la dirección de x e y, y a la velocidad angular W (t) del robot móvildiferencial, quedando el modelo cinemático:

xyθ

=

cosφ 0sinφ 0

0 1

( vω

)1,21

La posición y orientación del móvil se obtienen integrando las velocidades del móvil (ecuación 1.21)en un periodo de tiempo ∆t.

x(t) = x(0) +∫∆(t) cosθ(t) dt 1.22

y(t) = y(0) +∫∆(t) sinθ(t) dt 1.23

θ(t) = θ(0) +∫∆(t)

ωir − ωdrb

dt 1.124

Capítulo 3

Control Digital

3.1. Microcontroladores

Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor partede los elementos que configuran un controlador y que contiene todos los componentes fundamentales deuna computadora, aunque de limitadas prestaciones y que se suele destinar a gobernar una sola tarea.En su memoria sólo reside un programa que controla el funcionamiento de una tarea determinada, suslíneas de entrada/salida se conectan a los sensores y actuadores del dispositivo a controlar y debido a supequeño tamaño, suele ir integrado en el propio dispositivo al que gobierna [8].

La arquitectura básica de un microcontrolador se puede observar en la Figura 3.1.

Figura 3.1: Arquitectura básica de un microcontrolador [8]

Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes: Procesador o CPU (Uni-dad Central de Proceso), memoria RAM para contener los datos, memoria para el programa tipo ROM/EPROM/ EEPROM/ Flash, líneas de E/S para comunicarse con el exterior; diversos módulos para el con-trol de periféricos (temporizadores, puertos serie y paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA:Conversores Digital/analógico, etc.) y un generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamien-to de todo el sistema.

17

18 CAPÍTULO 3. CONTROL DIGITAL

3.1.1. Microcontroladores PIC

Lo microcontroladores más usados y que presentan diversas características especiales son los PIC,un ejemplo de PIC se muestra en la Figura 3.2,teniendo como principales ventajas para su uso [8]: Fa-cilidad de uso, gran cantidad de información disponible en libros, revistas e Internet, herramientas dedesarrollo muy asequibles, bajo precio y fácil disponibilidad.

Figura 3.2: Ejemplo de PIC [8]

Arquitectura Interna

Dentro de los PIC, el modelo con mayor disponibilidad para utilizarlo en montajes es el PIC16F84A elcual tiene una arquitectura Harvard. La repercusión más importante del empleo de la arquitectura Harvarden los microcontroladores PIC se manifiesta en la organización de la memoria del sistema, en la Figura3.3se muestra un diagrama de la arquitectura Harvard. La memoria de programa o instrucciones es inde-pendiente de la de los datos, teniendo tamaños y longitudes de palabra diferentes [8].

Figura 3.3: Arquitectura Harvard en los microcontroladores PIC [8]

La arquitectura Harvard permite a la CPU acceder simultáneamente a las dos memorias. Además,propicia numerosas ventajas al funcionamiento del sistema. En los PIC, el formato de las instruccioneses de 12 bits, 14 bits o 16 bits según el modelo y, en consecuencia, la longitud de las palabras de lamemoria de instrucciones o programa corresponde con esa longitud. Este tamaño permite codificar enuna palabra el código de operación de la instrucción junto al operando o su dirección. Existen modeloscon 512 posiciones para la memoria de instrucciones y otros que tienen 1 k, 2 k , y hasta 64 k posicionesde memoria [8].

3.2. MODULACIÓN PWM (MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO) 19

Características Principales de los Microcontroladores

La gran variedad de modelos de microcontroladores PIC permite que el usuario pueda seleccionar elmás conveniente de acuerdo a los requerimientos de cada proyecto:

El número de terminales de E/S varía de 4 a 70, según el modelo.

Casi todos disponen de una memoria EEPROM de 16 a 1024 bytes para almacenar datos y recu-perarlos después de haber eliminado la alimentación.

Las frecuencias más habituales de funcionamiento máximas, según el modelo, son 4 MHz y 10MHz, llegando algunos a los 48 MHz.

Ademas de las entradas/salidas digitales, temporizadores y contadores, según el modelo, pode-mos disponer de entradas/salidas analógicas (convertidores A/D, D/A), comparadores analógicos,amplificadores operacionales, puerto serie, I2C, USB.

Según la versión de PIC, la Pila o Stack de memoria dispone de un cierto numero de niveles lo quesupone poder encadenar más o menos subrutinas.

Los microcontroladores PIC más sencillos no admiten interrupciones, pero el resto sí.

Hay PIC´s donde el temporizador TMR1 tiene un circuito oscilador que puede trabajar asíncrona-mente, además de permitir el incremento aunque el microcontrolador se halle en el modo de reposo("sleep"), posibilitando la implementación de un reloj en tiempo real.

3.2. Modulación PWM (Modulación por Ancho de Pulso)

La modulación por ancho de pulso (PWM) (pulse width modulation) de una señal o fuente de energíaes una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo, que es cuando el pulso se encuentra en nivelalto de una señal periódica (una sinusoidal o cuadrada), ya sea para transmitir información a través de uncanal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga [9].

Figura 3.4: PWM a 50 % y 20 % en ciclo de trabajo, respectivamente [9]


El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con elperíodo. En la Figura 3.4 se observa lo siguiente [9]:

D = δT

D: es el ciclo de trabajo.

δ : es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso).

T: es el período de la función.

La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradasy una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que laotra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la dela señal dientes de sierra, y el ciclo de trabajo está en función de la portadora [9].

Algunos parámetros importantes de un PWM son: La relación de amplitudes entre la señal portadora yla moduladora, siendo recomendable que la última no supere el valor pico de la portadora y esté centradaen el valor medio de ésta y la relación de frecuencias, donde en general se recomienda que la relaciónentre la frecuencia de la portadora y la de señal sea de 10 a 1.

3.2.1. Características de la onda PWM

Una onda es una perturbación que se propaga desde el punto en que se produjo hacia el medio querodea ese punto. Las ondas materiales (todas menos las electromagnéticas) requieren un medio elásticopara propagarse. La perturbación se transmite en todas las direcciones por las que se extiende el medioque rodea al foco con una velocidad constante en todas las direcciones, siempre que el medio sea isó-tropo. Una onda transporta energía y cantidad de movimiento pero no transporta materia: las partículasvibran alrededor de la posición de equilibrio pero no viajan con la perturbación [35].

Figura 3.5: Tipo y caracteríticas de la onda PWM. [10]

El movimiento de cualquier objeto material en un medio puede ser considerado como una fuente deondas. Al moverse perturba el medio que lo rodea y esta perturbación, al propagarse, puede originar un

3.2. MODULACIÓN PWM (MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO) 21

pulso o un tren de ondas [35]. Un impulso único, una vibración única en el extremo de una cuerda, alpropagarse por ella origina un tipo de onda llamada pulso. Las partículas oscilan una sola vez al pasodel pulso, transmiten la energía y se quedan como estaban inicialmente. El pulso sólo está un tiempoen cada lugar del espacio. El sonido de un disparo es un pulso de onda sonora [35]. Si las vibracionesque aplicamos al extremo de la cuerda se suceden de forma continuada se forma un tren de ondasque se desplazará a lo largo de la cuerda. La ecuación de la onda esta determinada por la ecuacióny(t)=Asen(wt) en donde w es la velocidad angular dada por radianes por segundo y A es la amplitud dela onda [35]. Las ondas tranversales tienen crestas y valles y las longitudinales tienen compresiones ydilataciones. En los dos tipos de ondas una partícula siempre se separa armónicamente de la posición deequilibrio. Si una onda interfiere con otra en determinados puntos puede ocurrir que se anule la vibraciónformándose un nodo. Las ondas longitudinales se propagan en medios con resistencia a la compresióny las transversales necesitan medios con resistencia a la flexión, como la superficie de un líquido, y engeneral medios rígidos. Los gases y los líquidos no transmiten las ondas transversales [35]. Se definela longitud de onda, l, como la distancia que recorre el pulso mientras un punto realiza una oscilacióncompleta. El tiempo que tarda en realizar una oscilación se llama periodo ( T ) y la frecuencia ( n ) es elnúmero de oscilaciones (vibraciones) que efectúa cualquier punto de la onda en un segundo [35].

3.2.2. Control de un Motor de DC (Corriente Directa) mediante PWM (Modulaciónpor Ancho de Pulso)

La Modulación por Ancho de Pulso (PWM) es una técnica para controlar los circuitos con una salidadigital. PWM se utiliza en múltiples aplicaciones, algunas como controlar la intensidad de una luz y lavelocidad de los motores DC. Un circuito PWM genera una onda cuadrada con un ancho de pulso variable.La Regulación por Ancho de Pulso de un motor de DC está basada en el principio de On/Off, es decir,que al recortar la DC de alimentación en forma de una onda cuadrada, la energía que recibe el motordisminuirá de manera proporcional a la relación entre la parte alta (habilita corriente) y baja (cero corriente)del ciclo de la onda cuadrada como se puede ver en la Figura 3.6. Controlando esta relación se logra variarla velocidad del motor de una manera bastante aceptable [11].

Figura 3.6: Dos casos de diferentes anchos de pulso [11].


La principal idea de controlar un motor mediante PWM es el estar regulando y modificando el anchodel pulso en el cual se encuentra encendido el motor, es decir, dejar un tiempo prendido y otro apagado,muchas veces en un tiempo corto haciendo que el motor reciba menos energía o un tiempo más largodonde reciba mayor energía y por tanto teniendo variaciones de velocidad dependiendo del tiempo en altoque se encuentre PWM [11].

3.3. Sistema de Control PID (Proporcional-Integrativo-Derivativo)

Un PID es un mecanismo de control por retroalimentación que calcula la desviación o error entre unvalor medido y el valor que se quiere obtener, para aplicar una acción correctora que ajuste el proceso.El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integraly el derivativo mostrándose los parámetros del PID en la Figura 3.7. El valor Proporcional determinala reacción del error actual. El Integral genera una corrección proporcional a la integral del error, estoasegura que aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. ElDerivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce. La suma de estas tres accioneses usada para ajustar al proceso vía un elemento de control como la posición de una válvula de controlo la energía suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres variables (Proporcional-Integrativo-Derivativo) en el algoritmo de control del PID, el controlador puede proveer un control diseñadopara las necesidades específicas del proceso a realizar. La respuesta del controlador puede ser descritaen términos de respuesta del control ante un error, el grado el cual el controlador llega al "set point", y elgrado de oscilación del sistema. Nótese que el uso del PID para control no garantiza control óptimo delsistema o la estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno o dos modos delos que provee este sistema de control. Un controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en laausencia de las acciones de control respectivas. Los controladores PI son particularmente comunes, yaque la acción derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que sealcance el valor deseado debido a la acción de control.

Figura 3.7: Diagrama a bloques del PID. [10]

Capítulo 4

Sensores y Transductores

Un sensor se define normalmente como el elemento que se encuentra en contacto directo con la mag-nitud que se va a evaluar. El sensor recibe la magnitud física y se la proporciona al transductor por lo cualun transductor convierte una magnitud fisica no interpretable por el sistema, en otra variable interpretablepor dicho sistema, con fin de ser aplicada a algo útil, existen diferentes tipos de magnitudes fisicas comola mecánica, eléctrica, térmica, magnética, etc. que se pueden convertir dependiendo de la utilidad quese requiera dar. Todo dispositivo que convierta energía de una a otra debe considerarse transductor yaque transforma de un tipo de energía en otra, como se puede ver en la Figura 4.1, estableciendo unarelación de energía de entrada con la de salida [36].

Figura 4.1: Ejemplo de transductor [12].

Según el tipo de relación entrada salida, los sensores pueden ser de orden cero, primero orden o deorden superior. Este orden relaciona el número de elementos almacenadores de energía independientesque incluye el sensor y repercute en su exactitud y velocidad de respuesta. Esta clasificación es de granimportancia cuando el sensor forma parte de un sistema de control en lazo cerrado [36]. Los sensorespresentan características de suma importancia que deben tomarse en cuenta, una de ellas es la exactitud,esta es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones de quese aproxima al verdadero valor de la magnitud medida. La exactitud de un sensor se determina mediantela calibración de éste mismo de manera estática [36]. También la sensibilidad o factor de escala, la cuales la pendiente de la curva de calibración, que puede ser o no constante a lo largo de la escala de medida[36], y por último la linealidad, la cual expresa el grado de coincidencia entre la curva de calibración y unalínea recta determinada [36].

23

24 CAPÍTULO 4. SENSORES Y TRANSDUCTORES

4.1. Sensor Infrarrojo

El sensor infrarrojo es un tipo de sensor usado sobre todo para detectar objetos a diferentes distancias.Este tipo de sensor funciona con un fotodiodo el cual emite luz infrarroja y el receptor que recibe la señalinfrarroja, llamado fototransistor. La función de los fotodiodos es emitir luz infrarroja, la cual es invisiblepara la vista del ser humano debido al rango en espectro electromagnético en que se encuentra. Elfototransistor, como su nombre lo indica, es un transistor que recibe la señal infrarroja que el fotodiodoenvía, lo que ocaciona la polarización del transistor, como se puede ver en la Figura 4.2, y por lo tanto latransformación de esa energía de luz infrarroja en energía eléctrica.

Figura 4.2: Fotodiodo emitiendo luz infrarroja y fototransistor recibiendo la señal [13].

4.2. Sensor de Proximidad

El sensor de proximidad es aquel que es capaz de detectar algun objeto cercano al dispositivo me-diante el principio de los sensores infrarrojos. El funcionamiento de este sensor consiste en que la luzinfrarroja emitida es reflejada en el objeto, como la Figura 4.3 muestra, esta luz infrarroja emitida es re-flejada sobre el objeto cercano produciendo en éste mismo un rebote de la señal infrarroja hacia variasdirecciones ocasionando que vaya de regreso hacia el sensor en donde se encuentra el fototransistorprovocando que se active y así se detecte un cambio de energía de luz infrarroja a energía eléctrica [37].

Figura 4.3: Funcionamiento básico del sensor de proximidad, luz infrarroja reflejada en el objeto llegandohasta el receptor.

4.3. ENCODERS 25

4.3. Encoders

Los Encoders son sensores que generan señales digitales en respuesta al movimiento. Están dispo-nibles en dos tipos, uno que responde a la rotación, y el otro al movimiento lineal. Cuando son usados enconjunto con dispositivos mecánicos tales como engranajes, ruedas de medición o flechas de motores,estos pueden ser utilizados para medir movimientos lineales, velocidad y posición [38].

4.3.1. Clasificación de Encoders

Encoder Optoincremental

Un encoder ópticoincremental o conocido como sensor optointerruptor sirve para trasmitir en una de-terminada dirección seleccionada, un tren de ondas proyectados sobre éste como parte de un interruptoróptico y que para ello es apropiado un material permeable a la luz en el que se genera una estructuratridimensional de difracción al aplicar un campo eléctrico.

Los interruptores ópticos son utilizados como sensores con la función de activar algún dispositivo alpresentarse alguna incidencia de luz, los opto acopladores muchas veces se utilizan como interruptoresópticos, esto sirven para separar dos sistemas eléctricamente [39]. Actualmente los optointerruptores,como se muestra en la Figura 4.4, son muy utilizados en las aplicaciones de la robótica para el controlde motores eléctricos porque traducen el movimiento de los mismos en señales eléctricas de trenes deimpulsos.[2].

En general, existe una banda regular de marcas transparentes y opacas uniformemente distribuidas enun patrón del disco codificador incremental que al girar producen un cambio de estado del detector, éstese activa y se desactiva cada vez que las marcas en el disco permiten pasar la luz, este cambio equivalea un cambio en la posición angular del eje y se puede medir contando el número de cambios de estadodela salida del detector [pulsos de detección] desde una posición cero o de referencia marcada en el disco.

Entonces, cuando hace el cambió de estado genera un tren de pulsos mediante dos parejas emi-sor/receptor desfasados para que dependiendo del sentido de giro, sea uno u otro el que reciba el primerpulso de salida, los cuales se diferencian en dos canales de salida del codificador [2].

Figura 4.4: Interruptor óptico [14]

26 CAPÍTULO 4. SENSORES Y TRANSDUCTORES

Encoder Absoluto

En el encoder absoluto, el disco contiene varias bandas dispuestas en forma de coronas circularesconcéntricas, dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en sectores, con marcasopacas y transparentes codificadas en código Gray. La Figura 4.5 muestra las partes que conforman a unencoder absoluto [38].

Figura 4.5: Partes que conforman a un encoder absoluto [14]

Según la posición del disco, la luz emitida por cada emisor se enfrentará a un sector opaco o trans-parente. Si se enfrenta a un sector opaco, la luz se refleja y el receptor recibe la señal. Si se enfrenta aun sector transparente, la luz no se refleja y el receptor no recibe la señal. Las diferentes combinacionesposibles de sectores dan origen a una señal de salida digital formada por cuatro bits que puede ser pos-teriormente procesada. Generalmente, los encoders incrementales proporcionan mayor resolución a uncosto más bajo que los encoders absolutos. Además, su electrónica es más simple, ya que tienen menoslíneas de salida [38].

Capítulo 5

Sistemas de Posicionamiento

5.1. Sistema de Posicionamiento Global (Global Positioning Sys-tem, GPS)

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un sistema de posicionamiento por satélites desa-rrollado por el Departamento de la Defensa de los E.U., diseñado para apoyar los requerimientos denavegación y posicionamiento precisos con fines militares. En la actualidad es una herramienta importan-te para aplicaciones de navegación, posicionamientos de puntos en tierra, mar y aire. Consta de una redde satélites usados en navegación que permite determinar la posición las 24 horas del día, en cualquierlugar del planeta y en cualquier condición climatológica. Dicha red agrupa un conjunto de 24 satélites quecircundan la Tierra y envían señales de radio a su superficie [40]. Un receptor de GPS es un aparatoelectrónico pequeño que permite recibir las señales de los satélites. Este receptor utiliza las señales deradio para calcular su posición, que es facilitada como un grupo de números y letras que correspondena un punto sobre un mapa. La navegación GPS tiene límites que se deben conocer. Las radioseñalesemitidas por los satélites no pueden penetrar una vegetación densa, rocas, edificios, etc. Por lo tanto, enlugares como selvas, valles estrechos o ciudades con grandes edificios el receptor GPS no funcionará[40].

5.1.1. Posicionamiento

Para el cálculo de la posición se utiliza un método denominado ¨ triangulación ¨ , mediante el cualsabiendo la distancia a 3 puntos fijos, se puede obtener la posición del receptor. El sistema GPS utilizaesferas interseccionadas para determinar la posición tridimensional: latitud, longitud y altitud. Para esteprocedimiento es de vital importancia la sincronización precisa del tiempo entre el receptor y los satélitesy del conocimiento exacto de las posiciones de los satélites; en caso contrario el módulo no podrá realizaruna medición precisa de su distancia respecto a los satélites [16].

El número mínimo de satélites utilizados para obtener una posición es de 4. Las señales de solo 3satélites son suficientes para que el receptor calcule su situación tridimensional, pero una señal de uncuarto satélite se utiliza para sincronizar el tiempo entre los relojes atómicos altamente precisos de lossatélites y la pieza de cuarzo menos precisa del receptor. Si solo están disponibles señales de 3 satélites,uno de ellos debe ser utilizado para sincronizar el tiempo, quedando solo dos señales para calcular una

27

28 CAPÍTULO 5. SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO

posición en 2 dimensiones [16]. El software instalado en el receptor realiza un primer cálculo de la posi-ción de un punto al captar la señal de los satélites, posteriormente es procesada en una computadora queutiliza un software especial. La posición del receptor se determina a través de una serie de mediciones depseudodistancias en un tiempo determinado; estas pseudodistancias se utilizan conjuntamente con lasposiciones de los satélites al instante de emitir las señales. Los propios satélites emiten los datos de suposición orbital o datos de efemérides que permiten conocer su ubicación y calcular la posición del recep-tor en la Tierra. La posición tridimensional del receptor es el punto donde se intersectan pseudodistanciasde un grupo de satélites [16].

5.1.2. Estructura de Funcionamiento

El GPS consiste específicamente de satélites que emiten señal de radio desde el espacio, formandouna constelación de 24 satélites distribuidos en 6 órbitas con un período de rotación de 12 horas, comose muestra en la Figura 5.1. Los satelites se encuentran a una altitud aproximada de 20, 200 km y unainclinación de 55◦ respecto al plano ecuatorial. Esta distribución espacial permite al usuario disponer de5 a 8 satélites visibles en cualquier momento [41].

Figura 5.1: Red satelital GPS[15].

En el plano terrestre existe una serie de estaciones de rastreo, distribuidas en la superficie terrestreque continuamente monitorean a cada satélite analizando las señales emitidas por estos y a su vez,actualizando los datos de los elementos y mensajes de navegación, así como las correcciones de reloj delos satélites.Las estaciones se ubican estratégicamente cercanas al plano ecuatorial y en todas se cuentacon receptores con relojes de muy alta precisión [42].

5.1.3. Transmisión

El elemento clave de la precisión del sistema, es el hecho de que los componentes de la señal estáncontrolados por relojes atómicos muy precisos. Los satélites tienen a bordo cuatro normas de tiempo (dosrelojes de Rubidio y dos relojes de Cesio). Estas normas de frecuencia altamente precisas, constituyenel corazón de los satélites GPS, produciendo la frecuencia fundamental en la banda L (10.23Mhz). Apartir de esta frecuencia fundamental, se derivan coherentemente dos señales, las ondas de portadoraL1=1,575.42Mhz (19 cm) y L2=1,227.60Mhz (24 cm), que se generan multiplicándolas por 154 y 120

5.1. SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GLOBAL POSITIONING SYSTEM, GPS) 29

respectivamente [43], con lo que producen frecuencias duales que son esenciales para eliminar el errorcausado por la refracción ionosférica.

Las pseudodistancias que se obtienen a partir del tiempo de viaje de la señal, medido desde cadasatélite al receptor, emplean dos códigos de ruido pseudoaleatorios (PRN) modulados (sobrepuestos)sobre las frecuencias L1 y L2 [44]. Existen además, dos códigos que viajan a través de dichas frecuencias.El primer código es el C/A (código de adquisición imprecisa o aproximativa), designado también comoservicio estándar de determinación de la posición (SPS: Standar Position Service); que se dispone parausos civiles. Este código tiene una longitud de onda de 293.1 metros y está modulado solamente sobreL1, omitido a propósito de L2 [44]. El segundo es el código P (código de precisión), también designadocomo servicio preciso de determinación de la posición (PPS: Precise Position Service), reservado parauso militar (EUA) y para otros usuarios autorizados. Este código tiene una longitud de onda de 29.31metros y está modulado sobre ambas portadoras L1 y L2 [41].

5.1.4. Precisión

La precisión necesaria esta dictada por el uso del receptor del GPS. Cada aplicación corresponde aun nivel de precisión; con lo cual en la gran mayoría de aplicaciones la precisión del GPS convencionales más que suficiente. No obstante para el sector de aviación o la marina de defensa, se requiere unaprecisión más rigurosa [16]. En el Tabla 5.1 se presenta, de manera general, la precisión requerida endiferentes condiciones de operacion en el ámbito terrestre.

Aplicación Rango de precisiónVehículos de auxilio 75-100mControl y mando de un vehículo 30-59mRecolector de datos 25-35mSituación de tren 10-30mTransporte público 25-30m

Tabla 5.1: Precisión necesaria [16].

5.1.5. Sistema de Posicionamiento Global Diferencial (Differential Global Posi-tion System, DGPS)

El DGPS (Sistema de Posicionamiento Global Diferencial) es un sistema para corregir el error en laposición proporcionada por el GPS. Este sistema utiliza una estación de referencia con una posiciónconocida con alta precisión, la cual determina el error introducido por cada satélite y posteriormente emitelos valores de corrección a incorporar a cada satélite, como se muestra en la Figura 5.2. El receptor alobtener esta información puede corregir la pseudodistancia que ha sido determinada por los satélites ydefine una posición geográfica con una precisión que depende de la calidad de las informaciones decorrección recibidas y la distancia del receptor a la estación DGPS [40].


Figura 5.2: Correción de errores mediante la señal DGPS [16].

La información de corrección suele transmitirse por medio de un emisor de radio con el objetivo de sertratadas en tiempo real por el GPS. De esta manera, el error de pseudodistancia puede ser corregido porel receptor para cada satélite. Para esto es preciso que el receptor contenga un módulo DGPS capaz decaptar y modular las señales correctoras. Este modulo, como se observa en la Figura 5.3, debe conteneruna antena para señal GPS y capacidad de recibir una señal DGPS.

Figura 5.3: Receptor con capacidad GPS-DGPS [16]

La característica del DGPS permite tener una precisión del 95 % en un centenar de kilómetros alre-dedor de la estación emisora. El DGPS permite corregir todos los errores producidos por los satélitesavisando al receptor que no utilice la información proporcionada por el satélite defectuoso. El usuariopodrá contar con una presición menor a 1 metro [40]. La información proporcionada por el DGPS estransmitida por medio de emisoras de radio. Se pueden utilizar todas las bandas de radio, desde la bandaLF (Low Frecuency) hasta UHF (Ultra High Frecuency). La información también pueden ser transmitidasmediante satélites. Los emisores locales de DGPS (LDGPS) tienen un alcance de hasta 250 km a laredonda. Como medio de transmisión utilizan ondas hertzianas en las bandas de FM y UHF [16].

5.1.6. Receptores

Los receptores GPS detectan, decodifican y procesan las señales que reciben de los satélites paradeterminar el punto donde se encuentran situados. Tienen un conjunto de elementos de software y hard-ware que permiten determinar la posición, velocidad y tiempo de un usuario, además de otros parámetros


requeridos por el usuario. Las funciones básicas de un receptor son las siguientes: Identificación y segui-miento de los códigos asociados a cada satélite, la determinación de la distancia, la decodificación de lasseñales de datos de navegación para obtener las efemérides, almanaque, etc., aplicar las correcciones deerrores establecidos en este capítulo (ver sección 3.1.4. Tipos y fuentes de errores) y la determinación dela posición y velocidad, además de validación de los resultados obtenidos, almacenamiento en memoriay la presentación de la información.

Los datos viajan por medio de señales de satélite que entran a través de la antena y van a los canales.Un canal mantiene la conexión con la señal de un satélite específico y lo va siguiendo mientras este seavisible. Si el receptor es multicanal monitoriza simultáneamente varios satélites simultáneamente. Estascaracterísticas determinan la dinámica del receptor [16]. Disponer de canales múltiples significa que elreceptor siempre tiene información actualizada para poder calcular su posición a pesar de que algún canalpierda la conexión con un satélite. Un receptor de canal único monitoriza una señal de satélite duranteunas pocas milésimas de segundo y almacena su información; después repite el mismo procedimientocon la señal del siguiente satélite [16]. Así va procesando todas las señales del satélite antes de quela información pase al procesador de navegación, ver Figura 5.4. Los datos recibidos por el satélite seencuentran encripitados y fueron diseñados por el departamente de defensa de los Estados Unidos y hansido estandarizados como protocolo NMEA [45].

Figura 5.4: Sistemas monocanal y multicanal [16].

Protocolo Asociación de Electrónica Marítima Nacional (National Maritime Electronics Asso-ciation, NMEA)

El protocolo NMEA 0183 es un medio a través del cual los instrumentos marítimos y también la mayo-ría de los receptores GPS pueden comunicarse los unos con los otros. Ha sido definido, y está controlado,por la organización estadounidense NMEA. La información presentada en esta sección es tomada de lapágina oficial de la National Maritime Electronics Association [45]. Este protocolo se lanza por primera vezen marzo de 1983 y su última versión fúe publicada en el 2001. La salida NMEA es EIA-422A, pero parala mayoría de los propósitos puede considerárselo RS-232 compatible. Según este estándar, los datos


se transmiten de manera serial asincrónica en bloques de información que contienen caractéres ASCIIimprimibles [45].

Formato de Tramas NMEA

En el protocolo NMEA los datos son trasmitidos a través de tramas, cada una de ellas contiene unainformación diferente, desde la más básica, esto es la latitud y longitud, hasta los datos utilizados por losexpertos en la materia como la inclinación de los satélites con respecto a la horizontal. Existen tres tiposde sentencias NMEA: Sentencias de Envío (Talker Sentences), origen de Equipo (Propietary Sentences)y consulta (Query Sentences). Los datos están delimitados por una coma y deben incluirse todas lascomas ya que actúan como marcas. Una marca de verificación adicional es agregada opcionalmente(aunque para algunos tipos de instrumento es obligatoria) Cada sentencia comienza con ¨ $ ¨ y terminacon (CR)(LF) (CR: Carriage Return, LF: Line Feed). A continuación esta la dirección del campo aabbbdonde aa identifica el equipo (talker ID), por ejemplo: GP que se usa para identificar los datos GPS, eltalker ID es opcional y ¨ bbb ¨ es el identificador del tipo de sentencia. La trama NMEA entrega diferentessentencias, mostrando la información como se ilustra en la Figura 5.5. Cada segmento viene separadopor una coma y entrega datos especificos, como se observa en la Figura 5.6, los cuales necesariamenterequieren de un software para interpretarlos.

Figura 5.5: Formato de la trama

El módulo GPS entrega una gran variedad de tramas que van desde el uso civil a uso restringido(empresarial o militar). Las más importantes serían:

1 $GPAAM Waypoint Arrival Alarm2 $GPALM GPS Almanac Data3 $GPAPA Autopilot Sentence ¨ A ¨4 $GPAPB Autopilot Sentence ¨ B ¨5 $GPASD Autopilot System Data6 $GPBEC Bearing Distance to Waypoint, Dead Reckoning7 $GPBOD Bearing, Origin to Destination8 $GPBWC Bearing Distance to Waypoint, Great Circle9 $GPBWR Bearing Distance to Waypoint, Rhumb Line10 $GPBWW Bearing, Waypoint to Waypoint

Para aplicaciones de localización, las sentencias utilizadas son:


$GPGGA, $GPGSV, $GPRMC, $GPVTG, $GPGSA.

A continuación, se describen las 2 tramas utilizadas para la presente propuesta de proyecto.

$GPGGA (Global Positioning System Fix Data-Datos de posicion de GPS)

Esta sentencia entrega la información referente a la posición 3D, el estado del servicio DGPS, el factorPDOP y el número de satélites.

$GPGGA,132453.970,2651.0138,N,07547.7054,E,1,03,7.1,42.5,M,-42.5,M„0000*45

Figura 5.6: Tramado 1

$GPRMC (Global Positioning Recommended Minimum Sentence)

Dicha sentencia entrega la mínima información requerida para realizar un posicionamiento, es decir,la latitud, longitud, fecha y velocidad en nudos.

$GPRMC,132455.970,A,2651.0145,N,07547.7051,E,0.50,342.76,301010„,A*64

Figura 5.7: Tramado 2

Capítulo 6

Diseño de Hardware

En este capítulo se presenta a detalle el proceso de diseño y ensamble final del robot móvil de trans-porte de material desde el punto de hardware mecánico y electrónico. De forma más específica, se pre-senta el diseño de la plataforma mecánica considerando el espacio requerido para el montaje de los com-ponentes electrónicos y el contenedor de carga para los documentos a transportar, así como el cálculopara la selección de las llantas de tracción y la posición de la rueda libre de acuerdo a los requerimientosdel sistema de tracción diferencial propuesto. Así mismo, se abordan las consideraciones para la ubica-ción y montaje físico de sensores, motores, llantas y baterías del sistema. Como primer punto se presentaen el diseño del hardware mecánico.

6.1. Plataforma

El tipo de plataforma utilizada en este proyecto, para la implementación del robot móvil de traccióndiferencial, ver en la Figura 6.1, se eligió considerando que permite estabilidad a la hora de conducir enlínea recta y en los giros, debido a que se pueden manipular los motores a diferentes velocidades (velo-cidad diferencial) para realizar estas maniobras, permitiendo giros de casi 90◦ en vueltas pronunciadas[4].

Figura 6.1: Sistema Tipo Diferencial [2].

35

36 CAPÍTULO 6. DISEÑO DE HARDWARE

Para que el robot móvil tuviera integrado el sistema de hardware electrónico y a su vez tuviera lacapacidad de tranportar material, se diseñó la estructura en dos niveles, donde el primer nivel alojará elhardware electrónico (módulos, baterías, cableado, circuitos integrados, motores, etc.) y en el segundotendrá el compartimiento para el transporte del material, así como la interfaz de usuario y receptor GPS,más adelante se explica a detalle cada nivel y sus características electrónicas. Para no afectar el balancey la operación del móvil estos dos niveles están montados unos sobre otro y ambos tienen dimensiones yformas similares.

Con el fin de contar con una geometría que redujera la posibilidad de enganche o sujeción no deseadaa obstaculos inesperados, se optó por el empleo de esquinas redondeadas. La Figura 6.2 muestra el cortefrontal de esquinas redondeadas de la plataforma del robot móvil y los elementos que componen el primernivel del chasis del robot móvil, las dimensiones precisas del diseño se incluen en el Apéndice B.

Figura 6.2: Distribución Fisica de los Componentes del primer nivel del Chasis del robot móvil Tipo Dife-rencial [2].

Como se muestra en la Figura 6.2, los orificios C2, C3, C4, C5 son hechos para la unión de las placasde acrílico(primer nivel y segundo nivel), C1 es hecho para que los cables de los sensores pasen a laparte baja de la base y lleguen a una distancia mínima del suelo.

6.2. PLACA PARA FUENTE DE ALIMENTACIÓN 37

6.1.1. Materiales

Acrílico

Para la construcción del cuerpo de la plataforma del robot móvil se empleó acrílico. La elección delacrílico se fundamento en cuatro características fundamentales [46]: Resistencia química, resistencia ala intemperie, estabilidad dimensional, conductividad eléctrica. En cuanto a su resistencia fisica se puededecir que la lámina de acrílico es altamente resistente a la mayoría de las substancias, incluyendo solu-ciones de álcalis y ácidos como el amoníaco y el ácido sulfúrico, así como hidrocarbonos alifáticos comohexano, octano y nafta. Por el contrario, los hidrocarbonos aromáticos atacan al acrílico y los compuestosorgánicos como la acetona, el benceno y el tolueno lo disuelven. La resistencia al cuarteamiento dependede factores como la tensión ejercida sobre la lámina y durante cuánto tiempo, y la temperatura [46]. Elacrílico ofrece una resistencia a la intemperie que no iguala ningún otro material plástico, ni la mayoríade los materiales de fabricación humana. Resiste la exposición a radiación solar intensa, al frío extremo,a cambios súbitos de temperatura, a la brisa salada y a otras condiciones meteorológicas. Es un mate-rial cuyas cualidades estéticas y funcionales permanecen intactas durante muchos años de servicio. Supérdida de transparencia y claridad es prácticamente nula incluso en aplicaciones al aire libre.

6.2. Placa para Fuente de Alimentación

Esta placa esta ubicada sobre los orificios E1 a E4 como se muestra en la Figura 6.2, donde vancolocados los conectores destinados para las entradas de energía de las baterias LI-PO, para el switchgeneral, encargado del apagado y encendido del robot móvil y de las salidas de energia con sus respecti-vos reguladores de voltaje. La placa se muestra en la Figura 6.3, la cual se compone de headers macho,led indicador con su respectiva resistencia de protección, reguladores de voltaje y borneras.

Figura 6.3: Placa para Fuente de Alimentación [17].


6.3. Baterias

Las baterias se encuentran sujetas con una abrazadera de fierro, como se muestra en la Figura6.2 empleando los orificios K1 y K2. Para el proyecto se eligió una bateria de Polimero de Litio (LiPo),principalmente por el peso reducido y su alta capacidad de almacenamiento de carga. La Figura 6.4muestra el tipo de batería usada.

Figura 6.4: Batería LiPo de 7.2 V a 2200 mA [6]

6.4. Motor de Tracción

Para el movimiento del robot móvil tipo diferencial se empleo un par de motores de corriente directacon caja de engranes o también denominados motorreductores, estos motoreductores van montados enlos orificios B1 a B8 como se muestra en la Figura 6.2. En el caso particular de este proyecto la caja deengranes sirve para proveer de suficiente torque al robot móvil. Aunque existen multiples factores de se-lección para los motorreductores, en el caso específico del sistema propuesto se considero la velocidad ytorque como los requisitos priortarios. Como resultado se adquirieron dos motorreductores marca Namiki,ver Figura 6.5.

Figura 6.5: Motorreductor Namiki empleado en el Robot Móvil Tipo Diferencial [18].

6.4. MOTOR DE TRACCIÓN 39

6.4.1. Ruedas

Ruedas Laterales

Para la selección de las ruedas del robot móvil propuesto se tuvo como objetivo lograr la mejor rela-ción posible entre la capacidad de carga y la velocidad, sin comprometer las dimensiones del vehículo,la Figura 6.2 muestra el montaje de la rueda lateral izquierda y la rueda lateral derecha en los motoresde tracción. También se considero el desgaste de las llantas optandose por utilizar llantas de goma decaucho flexible. La Figura 6.6 muestra las llantas empleadas.Estas llantas se caracterizan por tener rinde lamina y balero de precisión fabricadas en goma de caucho negro, diámetro de 15 cm y capacidad decarga: 40 kg. A 150 kg.

Figura 6.6: Llantas con goma de caucho [19].

De esta forma, la distancia lineal recorrida de la llanta por cada giro, tomando en cuenta: el radio delas llantas de 0.075 m, queda definida como:

Distancia lineal= 2(PI)(r)

PI = 3.1416 r= 0.075m =radio de la llanta

Distancia lineal= 2(3.1416)(0.075m) = 0.4712 m por cada giro.

Ahora calculando la distancia recorrida en función de la velocidad de giro del motor. Si el motor alimen-tado a 7.4 VCD tiene una velocidad de rotación de 4000 rpm, se pueder hacer el cálculo de la velocidadde salida después de la reductora de los motores utilizando la siguiente fórmula:

velocidad de salida= 4000rpm80

= 50 rpm

Distancia recorrida= 0.4712m(50rpm) = 23.56m.

Por último se determina el tiempo que tardará en recorrer los 300 metros del circuito definido, em-pleando la velocidad y desplazamiento lineal previamente calculados:

Tiempo de recorrido= 1minuto23.56m

(300m) = 12 minutos tarda en el recorrido total de la pista.


Rueda Frontal (Rueda Loca)

Una rueda loca es un disco con un orificio central por el que penetra un eje que le guía en el movi-miento y le sirve de sustento. La parte operativa de la rueda es la periferia del disco, que se recubre conmateriales o terminaciones de diversos tipos con el fin de adaptarla a la utilidad correspondiente. Desdeel punto de vista tecnológico, la rueda es un operador dependiente.

Nunca puede usarse sola y siempre ha de ir acompañada de, al menos, un eje (que le guía y sirvede sustento) y de un soporte o armadura (que es el operador que controla la posición del eje y sirve desostén a todo el conjunto). La Figura 6.2 muestra la ubicación de la rueda loca (orificios A1 y A2).

Figura 6.7: Rueda loca Tipo Bola.

El soporte es un operador cuya misión es mantener al eje solidario con la máquina. En muchas apli-caciones suele tener forma de horquilla (patinetes, bicicletas, carros).

Además, para reducir el rozamiento entre el eje y el soporte (o entre la rueda y el eje, si éste perma-nece fijo), se suele recurrir al empleo de casquillos o de rodamientos (de bolas, rodillos o agujas), en laFigura 6.7 se muestra una rueda loca tipo bola.

6.5. Módulo de Potencia

El módulo de potencia se compone por el driver tipo Puente H, L298, el cual va montado en los orificiosD1, D2, D3 y D4 como se muestra en la Figura 6.2, este módulo sirve para el control de los motores detracción, proporcionando movimientos independientes a cada motor.

Este módulo integra una serie de componentes para su buen funcionamiento entre los cuales sepueden mencionar: diodos, resistencias de superficie, headers macho y borneras. La Figura 6.8, muestrael puente H empleado para el robot móvil tipo diferencial.

6.6. SISTEMA DE SENSORES 41

Figura 6.8: Puente H L298 [17].

6.6. Sistema de Sensores

El robot móvil tipo diferencial propuesto tiene la capacidad de seguir una ruta o circuito definido poruna línea trazada sobre la superficie a recorrer. De esta manera, se implementa un sistema sigue lineaspara recorrer trayectorias sin obstáculos empleando una serie de sensores QRD1114. Para el caso deque existan obstáculos sobre la trayectoria, se emplea el sensor Sharp GP2Y el cual brinda al sistema lacapacidad de detenerse sin chocar con él obstáculo que se le presente durante el recorrido de un trayecto.Otro sensor empleado en el robot móvil es el optointerruptor acoplado en los motores, el cual se empleapara darle la capacidad de registrar y controlar la velocidad mediante la captación de pulsos generadospor el giro de las llanatas del robot [47] [48].

6.6.1. Placa de Conectores para los Sensores QRD1114 y Sensores Opto-InterruptoresITR8102

Esta placa esta ubicada sobre los orificios F1 a F4 como se muestra en la Figura 6.2, donde secolocan los conectores para los sensores QRD1114 y los sensores opto-interruptores ITR8102, la placase compone por headers macho y resistencias de protección. La Figura 6.9 muestra la placa de losconectores para los sensores QRD1114 y los ITR8102.

Figura 6.9: Placa de Conectores para Sensores QRD1114 y Opto-Interruptores ITR8102


6.6.2. Placa de Sujeción para los Sensores QRD1114

El sensor QRD1114 es un sensor óptico reflectivo NPN, integrado por un emisor de luz infrarroja yun receptor fotodarliintong el cual posee filtro luz día. El sensor viene empaquetado en configuraciónreflex, este sensor es el remplazo directo del CNY70 pero tiene un mejor desempeño, permitiendo hacermediciones a mayor distancia y se emplea para detección de objetos, colores, seguidores de líneas, etc.La ventaja principal de este dispositivo es lo económico que es y su fácil conexión, ya que consta de 4pines, uno de ellos es el que manda la señal y las demás a Vcc y tierra.

Figura 6.10: Distribución de los Sensores QRD1114

En la Figura 6.10 se muestra la distribución de los sensores QRD1114 (seguidor de línea) el cualestá sujeto en los orificios A3 y A4, ver Figura 6.2, estos sensores deben ser colocados conforme alas dimensiones de la línea o trayectoria a seguir, en esta ocasión estarán sensor A y sensor B a unaseparación de .09 m entre ambos sensores, que es lo ancho de la línea propuesta para el camino. Ademásse deben de implementar dos sensores QRD1114 (sensor C y sensor D) al lado de los sensores queseguiran la línea, cuya función es incrementar o disminuir la velocidad del Robot Móvil Diferencial.

6.6.3. Placa para el Sensor Sharp GP2Y0D810Z0F

La Figura 6.11 muestra el Sensor Sharp GP2Y0D810Z0F usado en el proyecto , este sensor estacolocado sobre una placa, con sus respectivas resistencias de protección, esta colocada en el orificio P1,ver Figura 6.2.

Figura 6.11: Sharp GP2Y0D810Z0F [14]

La ventaja de este tipo de sensores de la serie Sharp es su precisión para detectar objetos a distanciasmayores, comparados con otros sensores similares, puede detectar objetos a una gran velocidad, casi entiempo real. Por otro lado, su costo no es muy elevado, ademas de ser de calidad, operar con voltajesbajos y tener una larga duracion de vida. [48].

6.6. SISTEMA DE SENSORES 43

6.6.4. Opto Interruptor ITR8102- Sensor para Detección de Velocidad

La Figura 7.22 muestra el opto interruptor ITR8102, el cual es uno de los interruptores ópticos másusados en sistemas electrónicos por ser de bajo costo. Este sensor se encuentra instalado en la partetrasera de los motores de tracción, véase en el Apéndice B. Estos sensores van conectados en la placade conectores para los sensores QRD1114 y los opto-interruptores ITR8102.

Figura 6.12: Interruptor Optico ITR8102 [14]

6.6.5. Consideraciones Cinemáticas para el Robot Móvil con Tracción Diferencial

Para la cinemática del robot móvil con tracción diferencial se toman los valores de un codificador deposición incremental, colocado antes de la reductora, para que traduzca el movimiento de rotación del eje,en un cambio definido en la salida del codificador (pulsos eléctricos) y permita conocer el desplazamientode las ruedas. Si el disco tiene 2 ranuras y la relación de la reductora es de 80:1, significa que el discogira 80 veces y se generan 160 pulsos por cada revolución de la rueda.

Para saber cuantos grados gira por pulso se realiza lo siguiente:

360◦

160=

2.25◦

pulso

Si el motor alimentado a 7.4 VCD tiene una velocidad de rotación de 4000 rpm se pueder hacer elcálculo de la velocidad de salida después de la reductora de los motores utilizando la siguiente fórmula:

velocidad de salida=4000rpm

80= 50 rpm

De acuerdo a la fórmula 1.1, del capitulo 2.7.4, se tiene lo siguiente:

vi = ωir y vd = ωdr

Teniendo las velocidades angulares izquierda ωi y derecha ωd y el radio de las llantas:

ωi = ωd = 50rpm = 5.23rad

s

r = 7.5 cm (radio de las llantas)


Sustituyendo los datos en la ecuación 1.1

vi = vd = (5.23rad

s)(7.5cm) = 39.22

cm

s= 23.53

m

min

Entonces, de acuerdo a la fórmula 1.14 del capitulo 2.7.4, se tiene que la velocidad máxima es:

v =23.53

cm

s+ 23.53

cm

s2

= 23.53cm

s

Para saber la distancia recorrida por cada rueda en un pulso se tiene:

∆pulsod = ∆pulsoi =2(π)(r)

n(∆N

∆t) 1.25

Donde:

r = es el radio de la rueda.

n = resolución del codificador o número de pulsos por vuelta.

∆N= es la cantidad de pulsos observados durante el período ∆t

∆pulsod = ∆pulsoi = es el desplazamiento lineal de la rueda durante el período ∆t

Sustituyendo los valores en la ecuación 1.25:

∆pulsod = ∆pulsoi =2(π)(7.5cm)

160pulsos(144pulsos

∆t) = 42.41

cm

∆t

6.7. Módulo Maestro (MM)

El Módulo Mestro se encuentra sujeto en los orificios H1 a H4 mostrado en la Figura 6.2. El MóduloMaestro (MM) envía datos de configuración a los Bloques de Posición (BP), de Interfaz de Usuario (BIU)y al Módulo Esclavo (ME) para poder inicializar el sistema.

El Módulo Maestro lleva una serie de componentes entre los cuales se encuentran el PIC18F4550,headers macho, un diodo, leds indicadores con sus respectivas resistencias de protección, un switch yuna bornera. La Figura 6.13, muestra el Módulo Maestro empleado para el robot móvil tipo diferencial.

6.8. MÓDULO ESCLAVO 45

Figura 6.13: Módulo Maestro

6.8. Módulo Esclavo

El Módulo Esclavo se encuentra colocado en los orificios G1 a G4, ver Figura 6.2. El Módulo Esclavo(ME) espera recibir la orden de avance por parte del Módulo Maestro (MM). Mientras el ultimo comandorecibido por parte del MM sea un comando de paro, el ME se encuentra inhabilitado. El ME y el MM seencuentran conectados a través del Conector de Comunicación Maestro/Esclavo del circuito armado parael módulo esclavo.

El Módulo Esclavo lleva una serie de componentes entre los cuales se encuentra el PIC18F4550headers macho, un diodo, leds indicadores con sus respectivas resistencias de protección, un switch yuna bornera. La Figura 6.14 muestra el Módulo Esclavo empleado para el robot móvil tipo diferencial.

Figura 6.14: Módulo Esclavo

En la Figura 6.15 se muestra la distribución de los elementos en el segundo nivel del chasis del robotmóvil. En este segundo nivel, está distribuido el módulo GPS, el módulo interfaz de usuario, el switch quecontrolará el apagado y encendido total de robot móvil y la base para carga colocada en los orificios V1 aV4, las dimensiones del segundo nivel se encuentran en el Apéndice C.


Figura 6.15: Distribución Física de los Componentes del segundo nivel del Chasis del Robot Móvil TipoDiferencial [2].

6.9. Módulo GPS

La Figura 6.16 muestra el módulo GPS usado en el proyecto. El modulo Breakout GPS diseñadopor ADAFRUIT utiliza el chip MTK3339 que cuenta con características importantes que hacen de éstedispositivo la mejor elección para el trabajo, ya que tiene una alta sensibilidad de -165 dBm, puede sercolocado en protoboard para hacer pruebas. Alcanza velocidades de refresco de 10Hz y soporta hasta66 canales para capturar hasta 22 satélites simultáneamente, además tiene la posibilidad de incluir unabatería tipo reloj de backup [49]. El Módulo GPS se encuentra en los orificios T1 a T4 como se muestraen la Figura 6.15.

Figura 6.16: Modulo Adafruit GPS MTK3339 [20].

6.10. MÓDULO INTERFAZ DE USUARIO 47

6.10. Módulo Interfaz de Usuario

El Módulo Interfaz de Usuario está colocado en los orificios R1 a R4 mostrado en la Figura 6.15 yestá integrado por la pantalla Smart GPU. Este tipo de pantalla es un poderoso y sencillo dispositivo paratrabajos profesionales con una pantalla LCD táctil. Ofrece una interface serial simple que comunica alcontrolador con la pantalla por medio de un puerto serial. Además, permite al usuario desarrollar aplica-ciones usando cualquier tipo de microcontrolador que es una de las mejores ventajas que tiene este tipode pantalla. El procesador de la Smart GPU no necesita de ninguna configuración o programación, soloes un dispositivo que recibe órdenes, reduciendo y facilitando el tamaño del código y la complejidad deéste mismo [50]. La Figura 6.17 muestra la forma física de la pantalla táctil SMART GPU.

Figura 6.17: Pantalla SMART GPU [21].

El principal objetivo de esta pantalla es brindar al usuario una manera fácil y sencilla de agregar color,presentación y comunicación con la aplicación o proyecto que se esté llevando acabo. Además usa pocaenergía de alimentación para un procesador gráfico como lo es Smart GPU y una gran ventaja que setiene es que tiene una ranura para memoria MicroSD en donde se pueden guardar las imágenes quese verán en la pantalla, sin necesidad de usar la memoria interna del procesador, por lo cual se puedenmanejar cantidades grandes de imágenes en el dispositivo. Las imágenes que son cargadas en la tarjetade memoria no deben lleva ningún tipo de formato en especial y es compatible con cualquier tipo demicrocontrolador [50].

Capítulo 7

Integración y Programación del Software

La Figura 7.1 muestra el diseño del robot móvil con tracción diferencial ADES v 1.0, esta plataformafue el prototipo para la integración y programación del software.

Figura 7.1: Robot móvil con tracción diferencial Ades v 1.0

Para el giro del robot móvil se deben considerar las velocidades de cada llanta, ya que la relación queexista entre las velocidades definirá el giro. En la Figura 7.2, se ilustra el diagrama a bloques en Simulinkde Matlab empleado para simular el giro del prototipo.

Figura 7.2: Diagrama a bloques del movimiento cinemático del prototipo

49

50 CAPÍTULO 7. INTEGRACIÓN Y PROGRAMACIÓN DEL SOFTWARE

En la simulación, el usuario proporciona los valores de la velocidad izquierda y la velocidad derecha yque se alimentarán al PID que controlará la señal enviada por los encoders. El controlador PID discretose puede escribir como:

U(s) = Kp[1 + 1Tis

+ Tds]E(s)

Donde por Ziegler-Nichols se calcularon las constantes Kp=0.12, Ki=2 y Kd=0.5.

De los resultados obtenidos, se puede observar que el giro es muy lento debido a que la diferenciade velocidades es muy pequeña lo que a su vez produce giros más amplios, de forma específica parael caso ilustrado esto indica que la velocidad de la llanta derecha es ligeramente más grande (Vd= 1.1km/h) con respecto a la llanta izquierda (Vi= 1 km/h) para dar el giro a la izquierda, como se muestra enla Figura 7.3.

Figura 7.3: Trayectoria del prototipo hacia la derecha

Ahora, ilustrando el giro en dirección opuesta, se observa que la velocidad de la llanta izquierda esligeramente más grande (V1= 1.1 km/h) con respecto a la llanta derecha (Vd= 1 km/h) produciéndose elgiro a la derecha, como se observa la Figura 7.4.

Figura 7.4: Trayectoria del prototipo hacia la izquierda

Así, para que el prototipo vaya en línea recta se debe tener en cuenta que la velocidad de la llanta

51

izquierda debe ser igual a la velocidad de la llanta derecha (Vd=Vi= 1 km/h), como se muestra en la Figura7.5, donde se gráfica el trayecto en línea recta del prototipo.

Figura 7.5: Trayectoria del prototipo en línea recta

Por otra parte, el robot móvil tipo diferencial ADES v 1.0 tiene un algoritmo (mostrado en la Figura 7.6),el cual después de recibir la selección de destino por parte del usuario, permite al robot móvil monitorearsu posición actual y compararla con la posición deseada para determinar si ha llegado a su destino. Elcamino a seguir por el robot ADES será determinado por un circuito definido por una línea blanca dibujadasobre una superficie obscura y lisa.

Figura 7.6: Algoritmo general sintetizado del sistema.

De esta manera, al encender el sistema, se procede a realizar una rutina de configuración de losdispositivos involucrados en los diferentes bloques que se mencionan más adelante. La secuencia básicade la configuración de los dispositivos se muestra en la Figura 7.7 y en la Figura 7.8.


Figura 7.7: Diagrama de flujo de la subrutina 1 del funcionamiento del GPS y el modo de selección dedestino.

Figura 7.8: Diagrama de flujo de la subrutina 2 del funcionamiento del GPS y el modo de selección dedestino.

El robot Diferencial ADES v. 1.0 está compuesto por distintos bloques, mostrados en la Figura 7.9, quele permiten moverse sobre una superficie lisa y obscura siguiendo una ruta determinada por un caminoen color blanco. Además le permite a un usuario elegir un punto de destino donde quiera que se realicela entrega de documentos u otro objeto no mayor a 5 kg de peso. Estos bloques son:

Bloque de Interfaz de Usuario (BIU): Permite la selección de un punto de entrega mediante una

7.1. MÓDULO MAESTRO (MM) 53

interfaz gráfica con una pantalla táctil.

Bloque de Posicionamiento (BP): Permite al robot móvil ADES determinar en tiempo real su posicióngeográfica.

Bloque de Detección de Obstáculos (BDO): Le otorga al móvil la facultad de identificar un objetoque interfiera su ruta, con lo que evita una colisión.

Bloque Sigue líneas (BS): Bloque funcional que permite el seguimiento de un circuito cerrado a lolargo del complejo arquitectónico, marcando la ruta de entregas del robot móvil ADES.

Bloque de Potencia y Movimiento (BPM): Bloque que permite el movimiento del robot mediante 2motores de corriente directa.

Bloque de Control de Velocidad (BCV): Permite regular la velocidad de movimiento del robot, ade-más de asignar los valores adecuados para realizar un giro durante una curva.

Figura 7.9: Diagrama a bloques de la composición del robot móvil diferencial

El sistema de control y monitoreo se basa en una arquitectura multinúcleo, compuesta de 2 microcon-troladores configurados en modo maestro/esclavo. Esta configuración permite realizar múltiples tareasde una manera más simple en lugar de sobrecargar todo el trabajo hacia una configuración de un solonúcleo.

7.1. Módulo Maestro (MM)

El Modulo Maestro (MM) tiene como controlador al PIC18F4550. En la Figura 7.10 se muestran losbloques componentes del robot con los que tiene interacción directa el MM.

El Módulo Maestro (MM) envía datos de configuración a los Bloques de Posición (BP), de Interfaz deUsuario (BIU) y al Módulo Esclavo (ME) para poder inicializar el sistema.


Figura 7.10: Diagrama a bloques del módulo maestro

El MM se encuentra en comunicación con el Bloque de Interfaz de Usuario mediante el Conector deComunicación Pantalla SMART GPU (ver figura del cto). Esto le permite al Módulo Maestro interactuarcon el usuario, con lo cual es posible (entre otras modalidades mencionadas más adelante) elegir el puntode destino. Esta selección se realiza mediante un menú con 4 destinos previamente cargados. Cada unode los iconos representa una coordenada de destino, donde se encuentra un punto de recepción dedocumentos. Al iniciar un nuevo traslado el maestro envía un comando de avance al Módulo Esclavo(ME) que, como se menciona más adelante, permite el avance o paro del robot.

Figura 7.11: Circuito armado para el módulo maestro

El MM y el ME se encuentran comunicados mediante el Conector de Comunicación Maestro/Esclavo(ver Figura 7.11). Durante el viaje, el Módulo Maestro se encuentra monitoreando al Bloque de Posición(BP) comunicándose entre sí mediante el Conector de Comunicación GPS (ver figura del cto). Comosu nombre lo indica, el BP consta de un receptor GPS (Sistema de Posicionamiento Global). El MóduloMaestro cuenta con el algoritmo que procesa y separa las múltiples tramas recibidas por el GPS, gene-rando la coordenada actual para después proceder a una comparación con la coordenada especificadapor el usuario. Si la coordenada de destino es igual al punto donde se encuentre el robot móvil ADES v1.0, el Módulo Maestro envía un comando de paro al Módulo Esclavo para detener al robot.

7.1. MÓDULO MAESTRO (MM) 55

Posteriormente, se habilita el BIU para seleccionar una nueva coordenada de destino. El Conector deProgramación Maestro permite la reprogramación completa del módulo y no se encuentra accesible alusuario común (ver Figura 7.11 del circuito armado para el módulo maestro). La alimentación de la placase realiza mediante el borne color verde donde se ubican las terminales de 5V y GND.

7.1.1. PIC18F4550

El microcontrolador empleado para el módulo maestro es el PIC 18f4550 que cuenta con varias ca-racterísticas que lo diferencian de otros entre las cuales están la gran velocidad a la que trabaja ademásde ser muy eficiente en las tareas que se le indican, en este caso en la parte de software, las siguientescaracterísticas son por las cuales se debe elegir este microcontrolador y no otros. Este microcontroladorserá el que tome las decisiones en todo, es decir, será la parte central del carro móvil ya que en él setoman las decisiones de que hacer y qué no hacer y mandar las señales de un módulo a otro [9]. Lasprincipales características de este dispositivo son [22]. :

8BIT FLASH MCU, 18F4550, DIP40

Tamaño de memoria EEPROM :256Byte, tamaño de memoria RAM:2048Byte.

Número de Timers:4

Número de canales de PWM:5

Temperatura rango de funcionamiento:-40◦C a +85◦C

Número de Pins:40

Temperatura máxima de operación:85◦C, temperatura mínima de operación:-40◦C

Frecuencia de reloj:48MHz

Tamaño de memoria Flash:32KB

Número genérico de IC:18F4550

Tipo de interface: EUSART, I2C, SPI, SPP, USB

Número de función lógica:18F4550

Voltaje máximo de alimentación:5.5V

Tamaño de memoria:32K

Tipo de memoria: FLASH

Characteristics de microcontrolador: SPI, I2 C, CCP, ECCP, SPP, EUSART, 2 x Comparators, 1 x8-bit timer, 3 x 16-bit timer

Voltaje mínimo de alimentación:4.2V


Número de entradas de ADC:13

Número de bits: 8

Número de entradas y salidas I/O: 35

Número de interrupciones internas: 2

Es un microcontrolador ampliamente debido a sus innumerables características; entre estas se en-cuentran una memoria Flash USB y control de flujo de datos. Soporta USB Low Speed (1.5Mb/s) y FullSpeed (12Mb/s) y USB V2.0, el cual es un atractivo complemento entre otros modelos incorporando porsí mismo una interfaz USB. Puede ser poder ser programado usando el lenguaje C, lo que lo hace undispositivo muy atractivo para aplicaciones sencillas. Además este dispositivo contiene 13 convertidoresanalógicos digitales, los cuales pueden ser seleccionados en modos de resolución de 8 o 10 bits, para elloantes habrá que configurar las entradas en modo Analógico-Digital, pues ya que estas están por defectocomo entradas/salidas.

Figura 7.12: Diagrama de pines del PIC18F4550 [22].

Otra de sus características es que tiene dos patillas de referencia donde podemos dar la tensión dereferencia para todas o algunas de las entradas del CAD.Otra característica importante de este microcon-trolador es configurar el tiempo de adquisición de datos, pues tiene un registro habilitado especialmentepara ello ya que en algunas ocasiones es necesario esperar al interruptor de muestro se cierre y que elcondensador se descargue para que se pueda hacer otra adquisición. En la Figura 7.20 se muestra elcircuito del PIC y sus respectivos Pines [22].

7.2. Módulo Esclavo (ME)

El módulo esclavo tiene un microcontrolador PIC18F4550. En la Figura 7.13 se muestran los bloquescomponentes del robot móvil ADES v 1.0 con los que tiene interacción directa el ME (Módulo Esclavo).

7.2. MÓDULO ESCLAVO (ME) 57

Este módulo espera recibir la orden de avance por parte del Módulo Maestro (MM). Si el ultimo comandorecibido por parte del MM es un comando de paro, el ME se encuentra inhabilitado. El ME y el MM se en-cuentran conectados a través del Conector de Comunicación Maestro/Esclavo (ver Figura 7.14). Al recibirun comando de avance, el ME envía una señal al Bloque de Potencia y Movimiento (BPM) para iniciarel viaje del robot móvil. El BPM y el BE se encuentran comunicados a través del Conector de Driver (verFigura 7.14 del circuito armado para el módulo esclavo). Para mantenerse dentro del camino especifica-do por el camino blanco trazado sobre una superficie obscura y lisa, el ME se encuentra monitoreandoconstantemente al Bloque Sigue líneas (BS) para evitar que el robot salga del camino.

Figura 7.13: Diagrama a bloques del módulo esclavo

Dentro del ME se encuentran los algoritmos de control específicos que permiten al robot ADES reali-zar giros al detectar una curva. Para ejecutar estos giros es necesario regular la velocidad de los motoresderecho e izquierdo. Esta función la realiza el Bloque de Control de Velocidad (BCV). Tanto el BCV comoel BS se encuentran comunicados con el Modulo Esclavo mediante el Conector de Sensores Infrarrojos7.14.

Durante el trayecto se puede presentar un obstáculo frente a la trayectoria del robot móvil, por lo quees necesario detenerlo antes de ocasionar una colisión. Esta función la realiza el Bloque de Detección deObstáculos (BDO), el cual es monitoreado constantemente por el ME para determinar un camino libre deobstáculos y si se presenta uno, el ME cuenta con la programación adecuada para detener el robot. ElBDO se encuentra comunicado con el ME mediante el Conector de Sensor de Presencia (ver Figura 7.14.

La alimentación de la placa se realiza mediante el borne color verde donde se determinan las termi-nales de 5V y GND.


Figura 7.14: Circuito armado para el módulo esclavo

7.3. Bloque de Potencia y Movimiento (BPM)

7.3.1. Ruedas Laterales

Las características de las ruedas laterales son presentadas en el capítulo 6.1.3. El diámetro de lasllantas es de 15 cm, y en el centro tiene un acoplador para el ensamble con los motores como muestra laFigura 7.15.

Figura 7.15: Diámetro de las llantas y acoplación para los motores

7.3.2. Motores

Las ruedas laterales son adaptadas a la flecha de cada uno de los 2 motores a través del acopladorcentral de las llantas. Posteriormente ambos motores se montan sobre la placa inferior del robot móvilADES como se muestra en la Figura 7.16.

7.3. BLOQUE DE POTENCIA Y MOVIMIENTO (BPM) 59

Figura 7.16: Colocación de los motores en el robot móvil diferencial

La alimentación de cada uno de los motores se realiza como se muestra en la Figura 7.17. Los motoresson alimentados con un voltaje de 7.6 Volts y la demanda de corriente será determinada por el peso totaldel robot móvil Ades incluyendo la carga que transporta.

Figura 7.17: Cables de alimentación para el motor

7.3.3. Motores Namiki

La elección de los motores de tracción para el robot móvil fue el uso de motores Namiki, los cualestienen características muy específicas que se ven a continuación [18]:

DC sin núcleo del motor eléctrico - 0.42 15.4 mnm

Tamaño pequeño

Alta eficiencia

Baja demanda de potencia


No cogging, respuesta rápida debido a una baja inercia de la bobina.

El imán especial de Namiki

Cabeza de engranajes

Diámetro y oslash; a 4 18

Voltaje de 3 a 12 v

Torque 80:1

7.4. Batería LiPo (Polímero de Litio)

La batería requerida para el prototipo debe ser ligera y de larga duración. Por esto se eligió una bate-ría de Polímero de Litio (LiPo) de 7.4 Volts a 2200mAh. A continuación se muestran el tipo de LiPo queexisten a cuanto voltaje [51]:

Li-PO 1S: una celda, 3,7 V.

Li-PO 2S: dos celdas, 7,4 V.

Li-PO 3S: tres celdas, 11,1 V.

Li-PO 4S: cuatro celdas, 14,8 V.

7.4.1. Rueda Frontal

La rueda frontal permite un libre movimiento en el frente del robot. Esta se encuentra en la parte frontalcomo se muestra en la Figura 7.18.

Figura 7.18: Ubicación de la rueda frontal

7.4. BATERÍA LIPO (POLÍMERO DE LITIO) 61

7.4.2. Driver

La ubicación del Driver se encuentra especificada en el Anexo B.En la Figura 7.19 se muestra lospines de conexión del driver hacia los motores y la alimentación de potencia (7.6 Volts) y alimentaciónlógica (5V).

Figura 7.19: Localización de los pines de conexión del driver tipo puente H L298

El conector Driver consta de 8 pines cuyo funcionamiento se muestra en la siguiente Figura 7.20:

Figura 7.20: Función de los pines del puente H L298

7.4.3. Puente H L298

El circuito integrado L298 usado en el módulo de potencia es un circuito práctico para el control demotores de corriente directa con un consumo de hasta 2A y voltajes no superiores a 46V. Las principalescaracterísticas de este circuito son: corriente máxima de 2 Amperes, un voltaje de operación de 4.5Va 46V, señales de control de 4.5 a 7V, un control bidireccional del giro, control de velocidad (Mediantetécnica PWM) y un control de dos motores simultáneamente.

La Figura 7.21 muestra el tipo de señal que genera el Módulo Esclavo (ME) desde el microcontroladorPIC18F4550.


Figura 7.21: Tipo de señal PWM

Las prestaciones de este microcontrolador permiten intercambiar los pines, por lo que se genera unaseñal PWM desde los pines de salida de los módulos CCP1 y CCP1 que corresponde a los pines RB3 yRA7. Los pines asignados para el sentido de giro son RA0 y RA1 para el motor izquierdo y RA2 y RA3para el motor derecho. El funcionamiento de cada motor se muestra en la Tabla 7.1 y la Tabla 7.2.

El Bloque de Potencia y Movimiento se conecta con el Modulo Esclavo mediante el Conector Driver.

Habilitación Motor 1= RB3 Motor 1 A=RA0 Motor 1 B=RA1 Sentido de Giro Motor 1(Izquierdo)SEÑAL PWM 0 0 SIN GIROSEÑAL PWM 0 1 ATRÁSSEÑAL PWM 1 0 ADELANTESEÑAL PWM 1 1 SIN GIRO

Tabla 7.1: Funcionamiento del Motor 1

Habilitación Motor 2= RB3 Motor 2 A=RA2 Motor 2 B=RA3 Sentido de Giro Motor 2(Derecho)SEÑAL PWM 0 0 SIN GIROSEÑAL PWM 0 1 ATRÁSSEÑAL PWM 1 0 ADELANTESEÑAL PWM 1 1 SIN GIRO

Tabla 7.2: Funcionamiento del Motor 2.

7.5. BLOQUE CONTROL DE VELOCIDAD (BCV) 63

7.5. Bloque Control de Velocidad (BCV)

El monitoreo de la velocidad de los motores resulta fundamental al encontrar una curva en el camino.De acuerdo al modelo del capítulo 6.1 se asignan velocidades diferentes a cada motor para lograr queel robot móvil Ades gire de acuerdo a la curvatura. El monitoreo de velocidad se realiza mediante unencoder y un optointerruptor (Capitulo 6.4.3) adaptado a la flecha del motor. En la Figura 7.22se muestrala ubicación del optointerruptor y el encoder, así como los conectores de alimentación y el conector queenvía los pulsos generados.

Figura 7.22: Ubicación del optointrruptor y el encoder

La lectura de los pulsos se realiza en los pines RB0 para el motor derecho y RB1 para el motorizquierdo. El procedimiento para leer los pulsos se realiza de la siguiente forma como lo muestra la Figura7.23.

Figura 7.23: Diagrama de bloques para la lectura de pulsos


Una vez tomados los pulsos y convertidos a valores de revoluciones por minuto (RPM), se ejecutael algoritmo de control empleando un PID. El procedimiento programado dentro del ME se explica en laFigura 7.24.

Figura 7.24: Diagrama a bloques para la rutina de control

7.5.1. Opto-Interruptor ITR8102- Sensor para Detección de Velocidad

Sus principales características del sensor opto-interruptor usado para el control de velocidad son lassiguientes [39]:

Separacion de 2,8 mm, espesor de 6,5 mm y largo de 24,5 mm.

Voltaje colector a emisor 30 Volts, corriente en sentido directo 50 mA, voltaje inverso 5.

Volts, corriente de colector 30 mA, voltaje emisor colector 5 Volts, potencia de disipación.

100mW y corriente pico en sentido directo 1 Amper.

7.6. Bloque Seguidor de Líneas (BS)

Este bloque fue implementado con sensores QRD1114. Las características, implementación física,separación entre sensores se encuentran en el capítulo 6.4.1. El algoritmo a seguir para un seguidor delínea se muestra en la siguiente Figura 7.25.

7.6. BLOQUE SEGUIDOR DE LÍNEAS (BS) 65

Figura 7.25: Rutina gráfica del seguidor de línea

El ME se encuentra monitoreando constantemente la línea para verificar que el robot móvil va en elcamino correcto. La detección lógica de los QRD1114 es de la siguiente forma: BLANCO = 1 Lógico (5Volts) y NEGRO = 0 Lógico (0 Volts).

La asignación de sensores a los pines del PIC18F4550 se realizó de la siguiente manera:

Sensor de línea externo izquierdo = RB4

Sensor de línea interno izquierdo = RB5

Sensor de línea externo derecho = RB6

Sensor de línea interno derecho = RB7

La rutina de siguelineas se muestra en la Figura 7.25. Si los sensores se encuentran en un nivel alto,significa que el robot móvil debe ir hacia adelante, por lo que las velocidades W1 (motor Izquierdo) y W2(motor derecho), deben ser iguales, así que se asigna un valor de velocidad igual a los Set Point SP1para motor izquierdo y SP2 para motor derecho para que el Bloque de Control de Velocidad BCV realicela acción correspondiente.

Si el sensor derecho cambia ha estado bajo significa que detecto una curva, por lo que se requiereque la velocidad del motor derecho W2 sea menor que W1, para que el robot móvil realice un giro ala izquierda (Figura 7.26), así que se asigna un valor de velocidad a los Set Point: SP1 >SP2, para losmotores derecho e izquierdo respectivamente y el Bloque de Control de Velocidad BCV realice la accióncorrespondiente.

Figura 7.26: Muestra de giro para el robot móvil diferencial


El algoritmo es similar para la detección de línea por parte del sensor izquierdo, asignando valores ta-les que SP1<SP2. La detección de color negro de ambos sensores se reserva para la llegada de destino,donde trabaja junto al Módulo Maestro en el Bloque de Posicionamiento.

Se destaca que las conexiones físicas del Bloque Seguidor de Líneas y del Bloque de Control deVelocidad, se encuentran en una misma placa fenólica, compartiendo un mismo bus de comunicacióncon el Modulo Esclavo, denominado Conector de Sensores Infrarrojos mostrado en la Figura 7.27.

Figura 7.27: Placa armada para los conectores de las sensores

7.6.1. QRD1114 - Sensor Seguidor de Linea

Las principales características de los sensores usados en la placa de sujeción son las siguientes [47]:

Voltaje colector emisor Max: 30Vdc

Distancia sensada: 6mm

Tipo de salida: Análogo (Señal variable)

Longitud de onda:940nm

Tipo de sensor: Infrarrojo reflex

7.7. Bloque de Detección de Obstáculos (BDO)

Este bloque permite al robot Ades colisionar con algún obstáculo que encuentre en su camino. Elhardware usado es el sensor SHARP GP2Y0D810Z0F. La conexión del BDO y el ME se realiza a travésdel Conector Sensor de Presencia como se muestra en la Figura 7.28.

7.7. BLOQUE DE DETECCIÓN DE OBSTÁCULOS (BDO) 67

Figura 7.28: Ubicación de pines de conexión del sensor SHARP GP2Y0D810Z0F

La asignación de sensores a los pines del PIC18F4550 se realizó de la siguiente manera: SENSOR DEPRESENCIA=RB2. El algoritmo programado en el Modulo Esclavo para atender este bloque se muestraen la Figura 7.29. Si el sensor detecta un obstáculo, envía una señal al Modulo Esclavo, donde el progra-ma en el PIC18F4550 asigna los Set Point SP1 y SP2 un valor de 0, para que el Bloque de Control deVelocidad detenga en su totalidad ambos motores. Este estado permanecerá hasta que el obstáculo searemovido.

Figura 7.29: Diagrama a bloques para la detección de obstáculos

7.7.1. Sharp GP2Y0D810Z0F - Sensor para Detección de Obstáculos

El uso de este sensor de proximidad se basa en detectar objetos a distancias un poco mas lejanaspara poder tener un paro en caso de detectar objetos y evitar colisión en el robot movil, este sensorinfrarrojo proporciona una lectura continua de la distancia medida como una tensión analógica dentro deun rango de 0 a 10 cm de distancia del robot movil, la Figura 7.30 muestra el tipo de sensor de proximidadcon 10 cm de detección de un objeto.

Figura 7.30: Sharp GP2Y0D810Z0F [14]

El voltaje de alimentación es de 5V y la el voltaje de salida varia unos 2 voltios de diferencia entre elmargen mínimo y el máximo de la distancia medida. La conexión se realiza mediante un conector de 3


vías, 2 para la alimentación y una para la salida. a salida esta disponible de forma continua y su valor esactualizado cada 39 ms. Normalmente se conecta esta salida a la entrada de un convertidor analógicodigital el cual convierte la distancia en un numero que puede ser usado por el microprocesador [48].

7.8. Bloque de Posicionamiento (BP)

El Bloque de Posicionamiento utiliza un receptor GPS (Sistema de Posicionamiento Global) mostradoen la Figura 7.31. El BP se comunica con el Modulo Maestro (MM) a través del Conector de ComunicaciónGPS.

Figura 7.31: Ubicación de pines para la comunicación GPS

El microcontrolador PIC cuenta solo con una USART (Transmisor Receptor Universal Síncrono Asín-crono), por lo que se emula una USART vía software, cuya prestación lo permite el compilador CCS. Asílos pines asignados del PIC18F4550 hacia el Bloque de Posicionamiento son:

Receptor (Rx)= RB1

Transmisor (Tx)=RB0

El receptor GPS recibe una gran variedad de tramas (ver capítulo 5). La trama GPRMC es suficientepara determinar una coordenada en latitud y longitud. Se declara un buffer de recepción donde se alma-cena la cadena de caracteres recibidos. Se identifica una trama que inicie con los caracteres GPRMC,de no ser así, se resetea el buffer para recibir la siguiente trama.

Al encontrar una trama GPRMC, determina su validez verificando la posición 18 de la cadena decaracteres. Si es una trama valida se obtiene el valor de latitud y longitud.

7.9. Sistema de Posicionamiento Global (Global Position System,GPS)

El módulo GPS esta construido a partir del chip MTK3339, es un GPS de calidad y tiene una antenaintegrada que consume muy poco, con tan solo 20mA, este GPS funciona de una manera adecuada ysin problema alguno, contiene un regulador interno de 3.3 Volts muy eficiente que permite alimentarlo de3.3 Volts a 5 Volts en corriente directa. Este GPS tiene un Pin Enable para que se pueda encender yapagar desde el microcontrolador deseado que en este caso se usa el PIC 18F4550. Contiene un LED

7.10. BLOQUE INTERFAZ DE USUARIO (BIU) 69

que parpadea cada segundo mientras busca los satélites disponibles y luego cada 15 segundo una vezencontrados para ahorrar energía ya que es otra ventaja por la cual se escogió este dispositivo GPS . Tam-bién se puede tener un LED siempre encendido, dispone de un pin FIX para poder realizar esta tarea [49].

El GPS tiene una flash interna que permite data-loggin, pudiendo guardar alrededor de 16 horas deinformación. Tiene características específicas las cuales son las siguientes [49]:

Satélites: 22 tracking, 66 búsqueda

Antena integrada: 15mm x 15mm x 4mm

Frecuencia de actualización: 1 a 10 Hz

Error de posición: 1.8 metros, error de velocidad: 0.1 metros/s

Warm/cold start: 34 segundos

Sensibilidad de adquisición: -145 dBm

Tracking sensitivity: -165 dBm

Altitud máxima: 18,000 metros (sin límite para MTK3339)

Velocidad máxima: 515m/s

Alimentación: 3.0 - 5.5VDC

Consumo: 48mA tracking, 37 mA en navegación, consumo: 25mA tracking, 20 mA en navegación

Salida: NMEA 0183, 9600 bps por defecto

Soporta DGPS/WAAS/EGNOS, compatible con FCC E911 y AGPS

Hasta 210 canales PRN

Jammer detection and reduction, multi-path detection and compensation

Peso: 8.5g (sin batería ni soporte), 23mm x 35mm x 8mm

7.10. Bloque Interfaz de Usuario (BIU)

Para realizar el Bloque de Interfaz de Usuario (BIU) está constituido por una pantalla SMART GPU.Este bloque permite la selección de un punto de entrega a través de un menú táctil. Los pines utilizadospor la pantalla se visualizan en la siguiente Figura 7.32. El BIU se comunica con el Modulo Maestro (MM)mediante el PIC18F4550 a través de la USART Hardware, utilizando los pines RC6 y RC7. La distribuciónde los pines de comunicación entre el MM y el BIU se realiza de la siguiente manera: RC6= RX, RC7=TX


Figura 7.32: Ubicación de pines utilizados por la pantalla SMART GPU

La Figura 7.33 muestra las acciones realizadas por el bloque desde una selección de un punto dedestino (Especificación de la Misión) hasta un punto de llegada, donde se reinicia el ciclo.

Al inicializar el sistema del robot móvil diferencial Ades v. 1.0, aparecerá en la pantalla SMART GPUel menú principal de usuario, que consta de 8 iconos de selección (como se muestra en la Figura 7.33).Estos iconos permiten la interacción de un usuario con el robot móvil. Cada icono tiene una funciónespecífica.

Figura 7.33: Esquema del menú principal

7.11. Interfaz de Usuario Pantalla SMART GPU

Sus principales características de la pantalla SMART GPU para la interfaz de usuario son las siguien-tes:

Pantalla de 2.4 pulgadas LCD con capacidad de 262, 144 colores.

5 Pines de interface para el dispositivo: Vcc, Tx, Rx, Gnd, Reset.

Controlador de pantalla táctil.

7.11. INTERFAZ DE USUARIO PANTALLA SMART GPU 71

Brillo controlado por PWM.

5 Iconos de propósito general táctiles.

Modo dormido(sleep).

10 bit táctiles de precisión.

2 Salidas digitales e propósito general.

Rango de velocidad de Baudios: 2000000 bps, 8 bits, no paridad, 1 bit de paro.

Compatible con 5 V y 3V de entrada/salida.

Voltaje de alimentación de 3V.

Switch externo de reset.

El uso de esta pantalla táctil facilita cualquier tipo de tareas de visualización acerca del proyecto es poreso que se escogió esta pantalla debido a su fácil manejo, su programación y la calidad del dispositivo,Smart GPU brinda buena resolución de imagen así como una comunicación rápida con el usuario ademásde la velocidad de comunicación con los elementos a los que esté conectado es inmediata [50].

7.11.1. Iconos de Destino

Existen configurados 4 iconos de destino, mostrados en la Figura 7.34. Estos permiten seleccionarentre 4 distintos diferentes puntos de entrega a lo largo de un circuito previamente establecido. Cadauno de los iconos indicara una coordenada precargada que es enviada al Modulo Maestro (MM), el cualiniciara el viaje de entrega, comparando constantemente las coordenadas recibidas por el Bloque dePosicionamiento (BP) y la selección del usuario. Si el robot móvil Ades se encuentra en alguno de lospuntos de destino, el icono correspondiente aparecerá remarcado con un margen alrededor de la imagendel Icono.

Figura 7.34: Esquema de los iconos de destino para el robot móvil diferencial


7.11.2. Icono de Base

El Icono de Base mostrado en la Figura 7.35 es una selección de coordenada adicional a los 4 iconosde destino. Dentro del complejo arquitectónico, debe existir un lugar donde el robot móvil tipo diferencialAdes v 1.0 permanecerá almacenado, este lugar es llamado Base. Al haber realizado todas sus entregas,el robot Ades puede ser enviado a la base a través del Icono de Base. Si el robot móvil Ades se encuentraen la base, el Icono de Base aparece remarcado con un marco alrededor de la imagen. En caso de queno exista una base dentro del complejo físico, este icono permanece inactivo.

Figura 7.35: Esquema del icono de base para el robot móvil diferencial

7.11.3. Icono de Configuración

En la Figura 7.36 muestra el icono de Configuración permite al usuario realizar ajustes del Brillo dePantalla.

Figura 7.36: Esquema del icono de configuración para el usuario

Al iniciar una entrega, el robot móvil estará en movimiento, por lo que el usuario no podrá comunicarsecon este. En el bloque de Interfaz de Usuario se mostrara la imagen de Búsqueda de Posición para indicarque el robot se encuentra en ruta como se muestra en la Figura 7.37.

7.11. INTERFAZ DE USUARIO PANTALLA SMART GPU 73

Figura 7.37: Imágen del plano para la búsqueda de posición

Al llegar al punto de destino seleccionado por el usuario, el robot móvil a través del Módulo Maestroejecuta la orden de detener el móvil. En este punto el usuario podrá visualizar en el BIU la imágen deLlegada a destino mostrada en la Figura 7.38. Para acceder al menú principal, solamente se requieretocar en cualquier parte de la imagen.

Figura 7.38: Imagen de llegada a destino

Capítulo 8

Pruebas del Funcionamiento del Robot Móvilde Tracción Diferencial Ades v. 1.0

Las pruebas para verificar el funcionamiento del robot móvil de tracción diferencial Ades v. 1.0 fueronrealizadas en el edificio 5 de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) UnidadZacatenco, visualizada en la Figura 8.1.

Figura 8.1: Plano de la ESIME

El circuito está compuesto por 3 estaciones o puntos de entrega además de un punto de base, dondeel robot Ades v. 1.0 quedara almacenado cuando no le sea requerido. El circuito recorrido por el robotAdes v 1.0 además de la ubicación de la base y los puntos de entrega se muestra en la Figura 8.2.

Figura 8.2: Plano de la trayectioria en el edificio 5

75

76CAPÍTULO 8. PRUEBAS DEL FUNCIONAMIENTO DEL ROBOT MÓVIL DE TRACCIÓN DIFERENCIAL ADES V. 1.0

En la Figura 8.3 se observa como el GPS inicia la configuración de las coordenadas de un puntode entrega, de esta forma se tendra un registro de la ubicacion base y los puntos de entrega para seringresados como los puntos de destinos ya mostrados en la Figura 8.2.

Figura 8.3: Configuracion de coordenadas de destino mostradas en la Pantalla SMART GPU

Previamente se localizaron las coordenadas de la ubicacion base y cada punto de entrega como semuestra en la Figura 8.4 para ingresarlas como puntos de destino deseados en el algoritmo de programa-cion, donde el robot móvil tipo diferencial ADES v 1.0 al recorrer el camino fue comparando su posiciónactual con la posición deseada y asi determinar si ya llego a su posición de destino.

Figura 8.4: Coordenadas de destino mostradas en la Pantalla SMART GPU

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Cabe mencionar que el prototipo recorre el interior de la planta baja del edificio 5, atravesando lospasillos de este como se muestra en la Figura 8.5.

Figura 8.5: Trayectoria dentro de un edificio

Las coordenadas geográficas de la base y los puntos de entrega fueron programados de acuerdo a losvalores visualizados por el Bloque de Interfaz de Usuario (BIU) y posteriormente comparados con el soft-ware Google Earth coincidiendo de manera correcta. Las coordenadas correspondientes a los respectivoslugares se muestran la Tabla 8.1:

Lugar Base Punto 1 Punto 2 Punto 3Decimal Latitud 19.5001 N 19.5002 N 19.4999 N 19.4998 N

Longitud 99.1342 O 99.1349 O 99.1351 O 991345 OGeográficas Latitud 19◦30’00.42” N 19◦30’00.82” N 19◦29’59.80” N 19◦29’59.61” N

Longitud 99◦08’03.17” O 99◦08’05.80” O 99◦08’06.70” O 99◦08’04.21” O

Tabla 8.1: Coordenadas correspondientes a los destinos programados del sistema.

El robot móvil inicia su ruta desde la base, donde el usuario puede tomar el Bloque de Interfaz deUsuario (BIU) como se muestra en la Figura 8.6 y asignar un destino, que en este caso es el Punto 1.Esto se debe realizar durante cada entrega debido a que la configuración es punto a punto, por lo que nose puede configurar varios puntos de entrega a la vez.

Figura 8.6: Selección del destino


Al encender el prototipo, este necesita configurar todos sus módulos, además de actualizar su posi-ción, por lo que el usuario vera la imagen mostrada en la Figura 8.7. Esta imagen prevalecerá en pantallay no se realizara ninguna acción hasta que el móvil encuentre una posición correcta. Al terminar su con-figuración, el prototipo desplegara el menú de opciones donde el usuario puede asignar un punto dedestino.

Figura 8.7: Imagen de muestra para la configuración de módulos

La imagen del menú que puede observar el usuario al configurar un punto de entrega desde la Basese muestra en la Figura 8.8. En este se muestra resaltado el icono de la Base, debido a que el prototiporecibió dichas coordenadas del lugar.

Figura 8.8: Imagen de muestra para el menú

Este menú cambiara de acuerdo al lugar donde el robot móvil Ades v. 1.0 se encuentre, donde se veráresaltado el icono de la posición actual. Al iniciar su recorrido el robot móvil siguió el camino trazado demanera correcta, realizando los algoritmos programados de seguidor de líneas, localización GPS paraencontrar su posición y compararla con su destino, y detección de obstáculos. Durante el viaje, como semuestra en la Figura 8.9, la pantalla del BIU entra en modo de hibernación con el fin de no consumirenergía innecesariamente.

Figura 8.9: Muestra de recorrido del robot móvil con tracción diferencial

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Al llegar a su destino, el Punto 1, el usuario puede tomar sus documentos correspondientes como seobserva en la Figura 8.10. y configurar un siguiente destino hacia el Punto 2 y repetir el procedimientohasta que se haya recorrido el circuito.

Figura 8.10: Muestra de recolección de documentos al llegar a su punto de destino

Para verificar el movimiento adecuado del robot se realizo una simulación del modelo matemáticocaracterístico del robot en el software MATLAB-SIMULINK que representa el movimiento en los ejes Xy Y. Como se menciona en el Capitulo 7 , la característica principal de la arquitectura diferencial es lacapacidad de realizar giros modificando las velocidades de los motores izquierda y derecha.

El modelado del robot diferencial y el modelo implementado en MATLAB-SIMULINK, son mostradosen el Capítulo 7. El robot tiene la capacidad de realizar giros hacia la derecha y a la izquierda, avanzar y,si es requerido, retroceder. Las velocidades requeridas en los motores derecho e izquierdo para realizarestos movimientos se muestran en la siguiente Tabla 8.2:

Movimiento deseado Velocidades requeridasAvanzar Wderecha = Wizquierda

Giro a la derecha Wderecha <Wizquierda

Giro a la izquierda Wderecha >Wizquierda

Detener Wderecha = Wizquierda = 0

Tabla 8.2: Velocidades requeridas en los motores para los distintos movimientos.

Para evitar un cambio de dirección debido a condiciones deficientes de los motores, primero se realizóuna prueba con velocidades iguales en ambos motores. Retomando la simulación de la Figura 7.5 y asig-nando las velocidades al Bloque de Control de Velocidad (BCV) robot, se observó que el móvil siguió unalínea recta, lo que demostró que físicamente los motores no presentan problemas físicos significativosque pudiesen provocar desviaciones.

Para comprobar los giros en ambas direcciones se tomaron los datos mencionados en las simulacio-nes mostradas en las Figura 7.3 y Figura 7.4 y se introducen las respectivas velocidades en el BCV donde


el robot móvil realizo una curva pronunciada hacia el respectivo lado, debido a la mínima diferencia queexiste en las velocidades de ambos motores.

Una de las características del robot es su capacidad de tomar curvas cerradas lo que amplía lasopciones del diseño del circuito que este recorrerá. Para comprobar esto, se diseñó un circuito de circun-ferencia pequeña, donde las curvas son cerradas, se colocó el robot y lo recorrió sin problema alguno,como se esperaba. El robot recorriendo la pista se muestra en la Figura 8.11.

Figura 8.11: Circuito de pruebas para el recorrido del robot móvil.

El Bloque de Detección de Obstáculos (BDO) permite al robot Ades identificar algún objeto frente aél y detenerse antes de que se presente un choque. En la Figura 8.12 se observa un obstáculo frente almóvil, el cual fue detectado a tiempo y se detuvo a una distancia de 8 cm.

Figura 8.12: Prueba de la deteccion de un obstaculo en el recorrido.

Capítulo 9

Conclusiones

En el contenido de esta tesis se propuso el diseño y construcción de un robot móvil de tracción dife-rencial con navegación mediante un sistema de seguidor de línea y localización a traves de un Sistemade Posicionamiento Global (GPS), que podría ser adaptado a diversas actividades como son: distribu-ción, vigilancia, reconocimiento, sondeo de un área determinada, servicio de entrega, etc.; logrando unavelocidad de recorrido equivalente al de una persona, sobre una superficie plana y regular.

El sistema de navegación fue implementado con un seguidor de línea, que consta de 2 sensoresinfrarrojos optoreflectivos que constantemente monitorean el camino color blanco dibujado sobre una su-perficie obscura. Este sistema permitió al robot móvil realizar un recorrido a lo largo del circuito diseñadopara las pruebas o un circuito para un propósito específico, sin que el móvil salga del camino.

El movimiento de tracción diferencial se realizó con el uso de 2 motores de corriente directa con ali-mentación a 5 Voltios. Estos son controlados por un controlador Proporcional Integral Derivativo (PID)implementado vía software en un microcontrolador PIC18F4550 de la compañía Microchip, cuyas pres-taciones cumplieron satisfactoriamente con los requerimientos de diseño, siendo la principal la velocidaddel reloj interno a 48 MHz.

Para el suministro de energía se utilizó una batería de Polímero de Litio de 2200 mAh, lo cual le per-mite al prototipo funcionar en un tiempo activo de 4 horas entre recargas. La buena relación entre tamañode la batería y corriente suministrada al prototipo resulto adecuada.

El posicionamiento del sistema se realizó a través de un módulo que utiliza la tecnología de Sistemade Posicionamiento Global (GPS). Este dispositivo permito al robot conocer su posición precisa a lo largodel recorrido. Además, mediante una implementación vía software, fue capaz de comparar su posiciónactual con la posición programada para su destino. Así el robot se detuvo en el lugar indicado y esperopor la siguiente orden de traslado.

Debido a la consideración de tránsito de personas o algún otro obstáculo que pudiese presentarseen el trayecto, el robot contó con un detector de obstáculos implementado con un sensor infrarrojo deproximidad el cual le permite al prototipo, mediante un algoritmo implementado por software, detenerse yevitar una colisión.

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82 CAPÍTULO 9. CONCLUSIONES

Para seleccionar un punto de entrega, el prototipo contó con una interfaz gráfica implementada conuna pantalla SMART GPU. Este dispositivo permitió una interfaz gráfica muy amigable con el usuario,donde se puede realizar una selección sencilla del punto de destino a través de un menú donde se mues-tran los iconos de los lugares disponibles para realizar una entrega.

Para determinar los parámetros del controlador PID se realizó un modelo matemático del robot móvilen el programa MATLAB SIMULINK, a partir de las ecuaciones de cinemática desarrolladas en el capítuloespecífico. A partir de este se obtuvieron los parámetros correspondientes del controlador digital, los cua-les produjeron resultados satisfactorios, expresados en un control de velocidad de buen funcionamiento.

Las pruebas de funcionamiento fueron realizadas en un circuito cerrado alrededor del edificio 5 de laEscuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) Unidad Zacatenco donde se programaron4 puntos de entrega y una estación de base en la cual el robot permanece en caso de no ser requerido.El circuito tiene una longitud de 300 metros y las coordenadas de los puntos de entrega y la base fuerontomadas y previamente programadas. El robot recorrió el circuito en un tiempo similar al realizado por unapersona en caminata normal, deteniéndose en cada punto de entrega.

La principal fuente de error en los sistemas de localización odométrica, que están basados en codifi-cadores rotativos acoplados a las ruedas motrices, lo constituye la falla en el modelado de los parámetrosque describen la cinemática del vehículo. Por supuesto el error no surge de la identificación de los valoresiniciales de estos parámetros, sino que surgen con los cambios que sufren los mismos a través del tiempoo debido también a los cambios dinámicos que se manifiestan durante la operación normal del vehículo.

La mejor calibración de la base de giro en un vehículo diferencial se obtiene realizando ensayosde operación típica del vehículo. Los trayectos aleatorios utilizados en la calibración de la base de giro,permiten recoger las condiciones reales en las cuales operará el robot, lo que garantiza que los resultadosde la calibración estén más ajustados a la realidad. Durante el ensayo se deben registrar la posición inicialy final del vehículo, así como también los pulsos de odometría generada por los sensores.

En base a las pruebas realizadas y los resultados obtenidos se concluye lo siguiente:

-La arquitectura diferencial le permite al móvil la capacidad de dar giros en curvas cerradas, sin em-bargo si el diseño del circuito a recorrer contiene curvas suaves, la arquitectura podría ser migrada a unmodelo Ackerman.

-El prototipo fue diseñado para recorrer una superficie extensa, por lo que si el circuito fuese demasia-do corto, el Bloque de Posicionamiento entrega la misma coordenada debido a la tecnología propia delGPS.

-El inicio completo del sistema tarda aproximadamente 3 minutos en posicionarse, esto debido a lasincronización del Bloque de Posición. Cuando el sistema se ha posicionado, el robot conoce su posiciónincluso cuando no se encuentra al aire libre.

9.1. TRABAJOS FUTUROS 83

9.1. Trabajos Futuros

Realizar una configuración y mapeo correspondiente para que el robot móvil diferencial Ades v. 1.0tenga la capacidad de llegar a un punto de entrega sin la necesidad de seguir una línea. Se proponeel uso de una Brújula Digital para asignar una dirección geográfica al móvil.

Realizar un algoritmo que brinde al móvil la capacidad de rodear un obstáculo que se encuentrefrente a el. Se propone el uso de 2 sensores adicionales a los costados los cuales permitan monito-rear el obstáculo mientras el móvil se encuentre rodeándolo.

Agregar una antena externa al modulo GPS del Bloque de Posicionamiento (BP) con el fin de mejo-rar la recepción en espacios cerrados y reducir el tiempo de posicionamiento.

Añadir una protección contra luz ambiental en la parte frontal del robot móvil para evitar interferencialuminosa que pueda afectar a los sensores del Bloque Siguelineas (BS).

84 CAPÍTULO 9. CONCLUSIONES

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Apendice B/Distribuciones de los Elementosque Conforman el Primer Nivel Robot MóvilDiferencial

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PRIMER NIVEL DEL CHASIS DEL ROBOT MÓVIL TIPO DIFERENCIAL

A1 y A2 Orificios para Rueda Libre A3 y A4 Orificios para Placa de Sensores B1, B2, B3 y B4 Orificios para colocación del Motor 1

B5, B6, B7 y B8 Orificios para colocación del Motor 2 C1 Orificio para paso de cables C2, C3, C4 y C5 Orificios para soporte entre placas

Placa de sujeción para Sensores

QRD1114 Placa para el Sensor SHARP

GP2Y0D810Z0F

Baterías

Placa Conector de

Sensores QRD1114 y

Opto-interruptores

ITR8102

Módulo Esclavo

Placa para Fuente de

Alimentación

Baterías Li-Po

Módulo de Potencia

Módulo Maestro

Motor de

Tracción

Motor de

Tracción Rueda Lateral

Izquierda

Rueda Lateral

Derecha

Rueda Loca

D3 D4

D1 D2

G3

F2 F1

F4 F3

E3

3

E4

E2 E1

G4

G1 G2

H1

H3

H2

H4

P1

K2

K1

DIMENSIONES DEL PRIMER NIVEL DEL CHASIS DEL ROBOT MÓVIL TIPO DIFERENCIAL

0.28 m

0.004 m

0.095m

m

0.435 m

0.34 m

92 APÉNDICES

Apendice C/Distribuciones de los Elementosque Conforman el Segundo Nivel Robot MóvilDiferencial

93

SEGUNDO NIVEL DEL CHASIS DEL ROBOT MÓVIL TIPO DIFERENCIAL

Folder para Documentos

Módulo

Interfaz de

Usuario

Módulo GPS

switch

C5

C3

C

2

V4

V2

V

1

T3

T2

T4

T1

R3

R1

R2

R4

DIMENSIONES DEL SEGUNDO NIVEL DEL CHASIS DEL ROBOT MÓVIL TIPO DIFERENCIAL

0.28 m

0.34 m

0.095m

m

0.004 m

0.435 m

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