Manual de Funcionamiento del RM-10

Autor: José Baena de la Iglesia

Septiembre 2006

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Índice General 1 Introducción General 2

1.1 Introducción .......................................................................... 2

2 Plataforma de experimentación de controladores 3 2.1 Descripción general .............................................................. 3 2.2 Descripción de bloques.......................................................... 5 2.2.1 Protecciones y Robot .................................................. 5 2.2.2 Control ........................................................................ 7 2.2.3 Generación de Trayectorias......................................... 8 2.2.4 Conmutación del Control .............................................. 10 2.3 Simulación ............................................................................ 11 2.4 Compilación .......................................................................... 13

3 Pantalla de explotación 15

3.1 Descripción general .............................................................. 15 3.2 Pantallas ................................................................................ 16

3.2.1 Control Manual ........................................................... 17 3.2.2 Control Automático ...................................................... 18 3.2.3 Capturas........................................................................ 19

3.3 Modo de Funcionamiento....................................................... 20 4 Plataforma de experimentación de trayectorias 24

4.1 Descripción general .............................................................. 24

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Capítulo 1

Introducción General

1.1 Introducción El objetivo de este manual es complementar el realizado en el año 2001 por

Rafael Romero Vicente, en el que se explicaba detalladamente la forma de probar nuevos controladores en la plataforma del robot RM10. En este caso, pretendemos que el manual sirva para poner en funcionamiento el robot sin ningún tipo de problemas, ya que tanto la plataforma de experimentación de controladores como la pantalla de explotación han sufrido variaciones desde que se empezaron a utilizar y no han sido recogidas en ningún documento.

En lo referente al entorno de control del RM10 podemos encontrar

suficiente documentación en los proyectos fin de carrera de Carlos Pérez Fernández y el anteriormente mencionado Rafael Romero Vicente, pero ninguno de los dos dispone de un manual paso a paso para poner en funcionamiento el robot. Para un estudio exhaustivo del entorno de control del RM10 no debemos dudar en consultar los dos proyectos citados anteriormente, pues este manual debe ser un complemento de ambos y en ningún caso un sustituto.

La pantalla de explotación (SCADA) ha sufrido múltiples variaciones y

cambios de nombre desde su primera versión, este hecho implica la necesidad de una guía que unifique nombres, refleje la situación actual del mismo y explique su funcionamiento detalladamente.

En último lugar, se ha desarrollado un entorno para el desarrollo de

diferentes generadores de trayectorias. Debido a que la plataforma de explotación del RM10 está saturada de elementos, se ha decidido llevar a cabo este entorno que nos permita probar los generadores y no incluirlos en la plataforma definitiva hasta no tenerlos completamente desarrollados y depurados.

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Capítulo 2

Plataforma de experimentación de controladores

2.1 Descripción General La plataforma de experimentación de controladores es un entorno

implementado en SIMULINK, que nos permite a partir de una tarjeta controladora dSPACE y la aplicación Real Time Workshop del citado programa SIMULINK, implementar controladores y generar trayectorias desde un PC diferentes de los algoritmos de control de los motores y la generación de trayectorias del manipulador que están disponibles desde la pistola de programación.

Esta plataforma y los controladores implementados en la misma han sido

motivo de numerosos proyectos fin de carrera y tesis doctorales. En este manual se pretende mostrar una visión general de la plataforma de modo que podamos explicar su puesta en marcha, pero insistimos en la consulta de los múltiples proyectos y tesis, para antes de ponerlo a funcionar, comprender la estructura interna de la plataforma.

Dentro del directorio “OscilacionRM10”, encontramos un archivo de

SIMULINK llamado “rm10par.mdl”, este será el que debemos abrir y posteriormente compilar. Es importante, a la hora de realizar futuras modificaciones, que el archivo a compilar tenga este nombre, pues de lo contrario no compilará, a menos que modifiquemos los parámetros establecidos para la compilación. Una vez abierto nos encontramos con la pantalla principal de la plataforma (Figura 1), donde podemos ver cuatro bloques fundamentales: “Protecciones y Robot” , “Generador de Trayectoria”, “Control” y “Conmutación de Control”, más un quinto bloque de generación de referencias (“Ref_SG”) situado en la esquina superior derecha.

CAPÍTULO 2 4

Mención especial recibe la variable “gen tray?” que podemos ver en el

centro de la imagen con un color celeste y el valor 1. Esta variable selecciona entre el Generador de Trayectoria de la esquina superior izquierda (cuando vale 1) y el de la esquina superior derecha (caso de valer 0). Lo mencionamos ahora pues será importante tenerlo en cuenta en la pantalla de explotación a la hora de elegir una referencia adecuada.

Figura 1: Pantalla principal del entorno de control

CAPÍTULO 2 5

2.2 Descripción de bloques

Una vez vista la estructura general de la plataforma, vamos a describir uno por uno los bloques en términos generales, de modo que una vez leído, tengamos una idea clara de qué misión tiene cada uno de ellos. Reincidimos en que una vez se tenga una idea general tras leer este manual, se profundice en los proyectos fin de carrera para alcanzar una mayor comprensión de aspectos concretos. Los cuatro bloques en que se divide son:

• Bloque Protecciones y Robot, que vigilará la aparición de alarmas antes

de permitir cualquier actuación.

• Bloque Control, dedicado a la implementación de los controladores desarrollados. El bloque Control está habilitado por el bloque Protecciones y Robot que se encarga de comprobar el correcto funcionamiento del sistema.

• Bloque Generador de Trayectorias, que se encargará de suministrar los

vectores de referencia de posición y velocidad al bloque Control.

• Bloque Conmutación del Control, cuyo principal cometido será conmutar entre las distintas posibles señales de control en función del estado del sistema, demultiplexar el vector resultante y enviarlo a la tarjeta dSPACE.

Mostramos a continuación los diferentes bloques uno a uno, indicando los

principales subsistemas que lo componen y su funcionalidad.

2.2.1 Protecciones y Robot

Este bloque, como hemos mencionado anteriormente, posee todo lo necesario para impedir un funcionamiento erróneo del robot, disparando las alarmas oportunas. Para poder llevar a cabo esta tarea, es evidente que en él se encuentran todos los registros del robot, de modo que cuando alguno exceda del valor máximo o mínimo permitido salte la alarma correspondiente.

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Podemos observar, como dentro del bloque Protecciones y Robot, hay un

subsistema llamado “Lógica Digital” . Hacemos una mención exclusiva del mismo dada su importancia, puesto que en su interior se encuentra todo el sistema de supervisión de alarmas.

Por otro lado, en la Figura 2 podemos ver un par de variables sobre un

fondo rojo llamadas “Move” y “MAN/AUTO” . Posteriormente nos referiremos a ellas tanto en el apartado de simulación como en el de ejecución desde la pantalla de explotación. Estas variables son las que nos permitirán activar/desactivar el movimiento del robot así como conmutar entre control manual y automático.

Figura 2: Bloque Protecciones y Robot

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En la Figura 3 podemos ver el subsistema “Lógica Digital” anteriormente mencionado, dentro del cual tenemos la “Supervisión de Alarmas” y la “Máquina de Estados”. La primera variable de esta última, que recibe el nombre de “HAB” y está resaltada en color rojo, es la que habita/deshabilita el movimiento del RM10. Nos servirá tanto para la simulación como para la ejecución desde la pantalla de explotación, de ahí que la mencionemos en este apartado.

2.2.2 Control

El bloque de control consiste en una serie de subsistemas en los que están implementados los diferentes controladores que se pueden emplear. Mediante una variable seleccionamos el que nos interese en cada caso. Esto lo veremos con mayor profundidad desde la pantalla de explotación. La implementación

Figura 3: Subsistema Lógica Digital

CAPÍTULO 2 8

de nuevos controladores viene explicada en el manual de Rafael Romero Vicente [1], de ahí que no hagamos más extensa esta sección.

2.2.3 Generación de Trayectorias

A la hora de generar trayectorias para pasárselas a los controladores como referencias tanto en posición como en velocidad, tenemos un bloque específico, en el cual aparecen claramente diferenciadas la generación de trayectorias en coordenadas articulares y la generación en coordenadas cartesianas.

Como podemos observar en la Figura 4, existe una variable llamada “ART/LIN” que nos permite conmutar entre un tipo de trayectoria y otro. Por medio de dos bloques de selección controlados por esta variable, sacamos al

Figura 4: Bloque de Generación de Trayectorias

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exterior las referencias en posición y velocidad de los dos tipos de trayectorias.

• Generador de Trayectorias Articulares

El bloque empleado para las trayectorias articulares consta de una

función-S llamada traj52.c situada en el subsistema Trayectoria que aparece en la Figura 5. Vemos como existe una variable llamada “Timetray” , que nos permite imponerle al robot el tiempo en que queremos realizar el movimiento.

Figura 5: Generación de Trayectorias Articulares

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• Generador de Trayectorias Cartesianas

El bloque de generación de trayectorias cartesianas consta de un bloque de generación de trayectorias rectilíneas, un bloque de cinemática inversa, un bloque de cálculo de la inversa del Jacobiano y un bloque de generación de polinomios de 5º orden. Para profundizar los conocimientos del mismo, se aconseja leer el proyecto fin de carrera de José Baena de la Iglesia.

Figura 6: Generador de trayectorias cartesiana

2.2.4 Conmutación de control

Su principal cometido será conmutar entre las distintas posibles señales de control en función del estado del sistema, demultiplexar el vector resultante y enviarlo a la tarjeta dSPACE.

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2.3 Simulación

En toda plataforma de desarrollo, poder simular los resultados antes de probarlos en el sistema físico se ha convertido en una autentica necesidad, por la cantidad de tiempo que se ahorra. La plataforma que hay desarrollada sobre entorno SIMULINK permite la simulación del sistema, pero para poder llevarla a cabo de manera eficiente, debemos tener en cuenta una serie de detalles.

En primer lugar, en el menú “Simulation” de la barra de herramientas de

SIMULINK, debemos cambiar el valor del tiempo de parada y escribir el tiempo que queremos simular. Este dato es obvio en cualquier simulación, pero en nuestro caso es más significativo, puesto que a la hora de compilar, debemos devolver a este parámetro el valor “1e10” . Caso contrario no compilará. Hacemos esta puntualización aquí y la volveremos a realizar en el apartado correspondiente a la compilación, puesto que si estamos simulando y queremos pasar a ejecutar algo al robot, un error muy frecuente es olvidar cambiar este dato, lo que nos llevará a un error de compilación.

Una vez resuelto este problema, pasamos a activar las variables que

necesitamos estén activas a la hora de simular. Por un lado, debemos seleccionar entre los dos generadores de trayectorias que existen, para ello utilizaremos la variable “gen tray?” a la que hicimos mención en la sección 2.1.

En función del generador elegido, tendremos que ajustar los parámetros

internos de acuerdo a lo que queramos realizar. Por otro lado, debemos elegir el tipo de controlador a utilizar. Esto lo

seleccionamos en el bloque de Control. En último lugar, deberemos habilitar el movimiento del robot y conmutar

de manual a automático, cosa que como posteriormente veremos, en la pantalla de explotación es muy intuitivo, no siendo así en el caso de la simulación. Debemos poner a valor “1” las variables “Move” y “MAN/AUTO” disponibles en el bloque Protecciones y Robot (Figura 7). Así como la variable “HAB” del subsistema Lógica Digital incluido en el mismo bloque que las dos variables anteriores (Figura 7). Con esto, habremos puesto al sistema en modo de control automático y con el movimiento activado.

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Figura 7: Variables “Mover”, “MAN/AUTO” y “HAB” a m odificar en simulación

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Una vez realizados todos los pasos anteriores, podemos pulsar el botón de simular del programa o equivalentemente, pulsar Ctr + T.

2.4 Compilación

Una vez hemos obtenido los resultados esperados en simulación, ya

podemos pasar a ejecutarlo en el robot. Para ello tenemos que compilar por medio del Real Time Workshop de SIMULINK.

Los pasos a seguir a la hora de compilar son: • Restaurar el valor de las variables puestas a 1 en la simulación, con

vistas a no tener activado el movimiento cuando termine la compilación y evitar que el manipulador comience a moverse por error.

• Establecer como tiempo de parada de simulación el valor “1e10” .

• En la barra de herramientas seleccionar Tools→Real Time

Workshop→Build Model como podemos apreciar en la Figura 8.

Una vez llevado a cabo todo este proceso, comienza la compilación y la

pantalla de Matlab pasa a primer plano, mostrando una serie de mensajes del proceso de compilación. Una vez terminada la misma, nos lo hace saber mediante una línea en Matlab y devuelve el prompt de Matlab, ausente durante toda la compilación. Además, en la barra del sistema de Windows aparece el icono del RM10 sobre un fondo verde como posteriormente veremos.

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Figura 8: Compilación del modelo

CAPÍTULO 3 15

Capítulo 3

Pantalla de Explotación

3.1 Descripción General

Una vez que hemos llevado a cabo la compilación, necesitamos un entorno que nos permita interactuar con el robot. Para ello, se dispone por un lado, de la pistola de programación, con la que se pueden manejar los algoritmos de control de los motores. Por otro lado, si hemos desarrollado una plataforma de experimentación de controladores, nos gustaría poder probarlos, lo que nos lleva a prescindir de la pistola de programación y llevar a cabo el control de todos los movimientos y variables del robot por medio de una pantalla de explotación a modo de SCADA.

En el anterior manual, así como en los diferentes proyectos fin de carrera

relacionados con el RM10, se habla de las aplicaciones “Cockpit” y “Trace” . La primera de ellas, nos permitía manejar el robot tanto en modo manual como en modo de control automático. La segunda, representaba variables por pantalla con sus valores por medio de diferentes gráficas.

Mencionamos esto para que el usuario conozca la existencia en el pasado

de ambas aplicaciones y sepa a qué se está refiriendo cualquier documento que las nombre. No obstante, se ha llevado a cabo una unificación, de forma que las dos aplicaciones han quedado agrupadas en una sola pantalla de explotación con varias subpantallas bajo la aplicación ControlDesk. Para una mayor información sobre la creación de nuevos instrumentos en el SCADA, recomendamos el manual Control Desk Experimentation Guide.

Para acceder a la pantalla de explotación, debemos ejecutar el fichero

“Ensayo_Control.cdx” que encontramos en el directorio OscilacionRM10.

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3.2 Pantallas

Una vez que el usuario ha abierto el archivo correspondiente, se carga en pantalla el SCADA, el cual consta de una serie de pantallas desde las que podemos manejar el movimiento de un eje, seleccionar un controlador o realizar una captura de los valores que toma una variable en el tiempo. En la Figura 9 podemos ver el aspecto que presenta la pantalla de explotación cuando es abierta.

La pantalla se compone de cuatro áreas bien diferenciadas.

• En primer lugar, está la barra de herramientas superior, situada por encima de la parte principal de la pantalla. Desde ella podemos crear nuevas pantallas, guardar la actual, abrir pantallas, etc. Pero también es la zona desde donde pasamos del modo de edición (donde se

Figura 9: Pantalla principal del SCADA

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crean botones y se asignan variables en el SCADA) al modo de ejecución, desde el cual se realiza el manejo del robot.

• A continuación se encuentra la parte de mayor extensión, que es la

pantalla de explotación en sí misma. Desde aquí se maneja el manipulador por medio de botones tradicionales e indicadores luminosos que nos mostrarán el estado en que se encuentran las diferentes partes que lo componen.

• Justo debajo de la parte principal, se encuentran unas pestañas que

nos permiten conmutar entre las distintas pantallas del SCADA. Desde una se seleccionará el controlador a utilizar, desde otra se realizarán las capturas de variables, otra controlará la puesta en marcha del robot…

• Por último, en la parte más baja de la pantalla, se observa otra fila de

pestañas, entre las que se encuentra un intérprete, un visor, un selector de ficheros y una pestaña donde se encuentran todas las variables disponibles en la compilación actual. De modo que podamos asignársela a algún botón del SCADA.

A continuación vamos a describir las diferentes pantallas que componen el

SCADA. Podemos acceder a las mismas pulsando en la pestaña correspondiente justo debajo de la parte principal de cualquier pantalla.

3.2.1 Control Manual

Es la pantalla principal del SCADA, aunque su nombre puede resultar

engañoso, pues podríamos pensar que sólo se encarga del movimiento manual de cada una de las articulaciones.

Desde esta pantalla, inicializaremos el movimiento del robot (tanto en

modo manual como automático), conmutaremos entre estos dos modos de funcionamiento, estableceremos las referencias en posición (tanto articular como cartesiana) que deseamos alcance el manipulador y le indicamos en qué intervalo de tiempo queremos que recorra la trayectoria. Además, presenta una lectura digital de los valores que van tomando las posiciones, los valores proporcionados por el controlador y los valores leídos por el sensor de fuerza/torsión, caso de encontrarse colocado el mismo en la garra del robot.

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Todo esto lo podemos ver en la Figura 9, el funcionamiento general aparece explicado en el apartado 3 de este capítulo. 3.2.2 Control Automático

La pantalla de control automático nos permite seleccionar el tipo de controlador que vamos a emplear, el generador de trayectorias a emplear y activará una variable indispensable para el movimiento del robot, la variable “Move” . El aspecto que presenta la pantalla lo podemos ver en la Figura 10.

Figura 10: Pantalla Control Automático

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3.2.3 Capturas

La antigua aplicación “Trace” tiene como sucesor esta pantalla. Está encargada de recoger los valores de las variables posición y velocidad del manipulador, así como las correspondientes referencias. El funcionamiento de la misma es realmente sencillo e intuitivo, no obstante en el apartado 3 del presente capítulo describimos brevemente como realizar una captura. No obstante como mencionamos al comenzar la sección, para la adquisición de variables y creación de nuevas herramientas en la pantalla de explotación se recomienda acudir al manual Control Desk Experiment Guide.

Figura 11: Pantalla Capturas

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3.3 Modo de Funcionamiento

Finalmente, una vez nos hemos familiarizado con todo el entorno del SCADA, pasamos a explicar cómo funciona el mismo y así poder realizar las pruebas oportunas sobre el robot.

En primer lugar, una vez hayamos compilado, ya tendremos en la tarjeta el

programa que se va a ejecutar sobre el robot, es decir, se ejecuta lo que tengamos cargado en la dSPACE. Por tanto, si deseamos realizar alguna modificación sobre alguna función o módulo de SIMULINK, deberemos volver a compilar nuevamente. Una vez realizada esta aclaración, continuamos con la explicación. Observamos cómo el icono del RM10 que aparece en la bandeja del sistema, ha cambiado de apariencia tomando ahora un color verde por fondo frente a la ausencia de verde aparente mientras no tenemos nada compilado en la tarjeta.

Figura 12: Símbolo en la barra del sistema

En la Figura 12 podemos observar como en el segundo caso, también aparece el icono del Control Desk, que es el programa de desarrollo de la pantalla de explotación.

Para acceder a la pantalla de explotación, debemos ejecutar el fichero

“Ensayo_Control.cdx” que encontramos en el directorio “OscilacionRM10” donde se encuentra el fichero “rm10par” anteriormente compilado.

Una vez abierto, esperamos a que se carguen todas las pantallas. Al

arrancar, lo hace por defecto en modo de edición, lo que nos permitirá añadir algún botón o asignar alguna variable nueva a un control ya existente en caso de haber realizado alguna modificación en rm10par. Pulsaremos sobre el botón “Animation Mode” de la barra de herramientas superior y pasaremos al modo de animación, desde el que ya podemos pasar a controlar la pantalla de explotación (Figura 13).

A continuación, lo primero será elegir el controlador, el generador de

trayectorias y activar la variable “Move” . Todo ello lo llevamos a cabo desde la pantalla Control Automático. Marcaremos la casilla Generador de Trayectoria a menos que empleemos el de la parte derecha de rm10par.

CAPÍTULO 3 21

En este momento, ya podemos pasar a la pantalla Control Manual y

establecer las referencias para el movimiento. Si el movimiento es en variables articulares, modificaremos los valores de las articulaciones deseadas debajo de los carteles indicadores de cada una de las articulaciones. En caso de referencias en cartesiana, lo haremos donde marca las coordenadas X, Y, Z y el roll , el pitch y el yaw.

Ya tenemos casi todo preparado, pero antes de comenzar, tendremos que

indicar cual es la posición inicial de los encoders, es decir, el cero puesto que se trata de encoders incrementales. Para ello, establecemos el control manual en la pantalla Control Manual, levantamos la seta de seguridad de la pistola de protección, pulsamos el botón HABILITAR y movemos las articulaciones hasta dejar el robot en la posición de reposo (acudirá a esta posición cada vez que pulsemos HOME). Entonces, pulsamos bien la seta o bien el botón HABILITAR

Figura 13: Modo Edición / Modo Animación

CAPÍTULO 3 22

para detener el movimiento y pulsamos con el botón derecho del ratón sobre el icono verde anteriormente expuesto del RM10. Aparece un cuadro de diálogo como el mostrado en la Figura 14. Seleccionamos Edita Posición Actual y en el siguiente cuadro de diálogo, escogemos el valor cero para todas las articulaciones.

Ya tenemos todo preparado para realizar cualquier movimiento, seleccionamos en primer lugar, el tipo de control (ART/CART), levantamos la seta y pulsamos HABILITAR. Un aspecto importante, que no se menciona en ninguna parte y es fundamental para el funcionamiento del robot, es que al habilitar el movimiento, debemos tener el robot en modo MANUAL y antes de pasar a modo AUTO, debemos realizar un movimiento. Si no realizamos esto, simplemente no realiza de forma adecuada el movimiento. Es decir, si tenemos la seta pulsada y vamos a realizar un control automático, debemos mover manualmente una articulación, pulsar sobre HOME y llevar el robot a la posición de reposo. Sin pulsar la seta, ahora ya podemos cambiar el tipo de control de manual a automático y realizará correctamente el movimiento.

Figura 14: Puesta a cero de las articulaciones

Figura 15: Mensaje de Finalizar Aplicación

CAPÍTULO 3 23

En último lugar, para abandonar la pantalla de explotación después de haber realizado los experimentos oportunos, debemos seguir una rutina a la hora de cerrar, pues de lo contrario, deberemos reiniciar el PC para volver a compilar sobre la tarjeta dSPACE. Simplemente tenemos que pulsar sobre el botón Fin Aplicación de la pantalla Control Manual. Nos aparece un mensaje como el de la Figura 15. Si pulsamos sobre Aceptar, no se quita, sino que tendremos que pasar a modo Edición y pulsar el botón de STOP. Una vez hecho esto, podemos pulsar sobre Aceptar y cerrar la pantalla del SCADA cerrando la ventana como una cualquiera de Windows.

Terminamos este apartado realizando una breve explicación del proceso de

encendido del robot. En primer lugar, debemos girar la ruleta negra hacia la derecha de forma muy lenta, de lo contrario saltará un fusible ubicado detrás de la máquina de control numérico. Posteriormente girar media vuelta la llave y por último, pulsar el botón verde. El apagado se realizará de forma inversa sustituyendo el botón verde por el botón rojo situado encima y realizando los giros tanto de la llave como de la ruleta en sentido contrario al de encendido.

Recomendamos tanto al encender como al apagar el manipulador, tener la

seta de seguridad pulsada para evitar movimientos inesperados del robot.

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Capítulo 4

Plataforma de experimentación de Trayectorias

4.1 Descripción General

Se ha desarrollado una plataforma en SIMULINK para el desarrollo de trayectorias con el propósito de desarrollarlas y depurarlas fuera de la plataforma general, evitando así modificar nada hasta tener la trayectoria generada perfectamente analizada y lista para incorporarla a la plataforma general.

Para acceder a la misma sólo tenemos que abrir el archivo

“Pruebas.mdl”incluido dentro del directorio OscilaciónRM10. La plataforma ofrece una sencilla forma de desarrollar nuevas trayectorias y visualizar los resultados por pantalla.

La plataforma dispone de un modelo del sistema, un bloque de

controladores y bloques de trayectorias que se pueden añadir. Además, posee una serie de Scopes que nos ofrecen los resultados de la simulación y permite intercambiar entre los diferentes generadores por medio de un simple cambio de instrumento “From”, eligiendo el que procede del generador deseado.

Para simplificar la comprensión del mismo se han elegido diferentes

colores para los diferentes bloques y referencias. Podemos ver un esquema del mismo en la Figura 16. Añadir por último, que la plataforma es más una herramienta de desarrollo que un fin en si misma.

CAPÍTULO 4 25

Figura 16: Pantalla de Desarrollo de Trayectorias