DISEÑO, CONSTRUCCION Y DESARROLLO DEL UN MÓVIL SEGUIDOR DE LINEA

Margarita Alejandra Rebolledo Coy Edwin Leonardo Gómez Díaz

David Arnulfo Rojas Gualdrón.

Universidad Pontificia Bolivariana, seccional Bucaramanga Kilometro 7 vía a Piedecuesta

Sistemas Digitales Facultad de Ingeniería Electrónica

Bucaramanga, Colombia

Resumen: El desarrollo del móvil que se describe a continuación, se lleva acabo como trabajo extra de la materia Sistemas Digitales, este proyecto fue desarrollado por el grupo de trabajo de manera autónoma, poniendo en práctica los conocimientos vistos hasta este punto en la carrera e investigando sobre conceptos nuevos que aparecen como necesidades en el desarrollo de este móvil.

Palabras Clave: Fuentes conmutadas, servomotores, compuertas lógicas. .

1. INTRODUCCIÓN La robótica móvil es una línea de investigación que avanza a pasos agigantados en muchas universidades a nivel mundial, las aplicaciones que aparecen son innumerables, todas están siempre en la búsqueda de resolver situaciones en las que el ser humano necesita colaboración o simplemente es imposible su actuación. Este proyecto se desarrolla para poner en práctica los conocimientos adquiridos en la carrera de Ingeniería Electrónica, por lo tanto se aprovecha la iniciativa propuesta en la materia de sistemas digitales de desarrollar este robot móvil seguidor de línea el cual se diseña para ser controlado por un arreglo de

compuertas lógicas diseñado específicamente para este propósito. 1.1. Justificación. Trabajar sobre un proyecto base en donde converjan los conocimientos adquiridos hasta este nivel de la carrera y en donde se demuestre la capacidad de investigación a la hora de afrontar situaciones desconocidas. 1.2. Objetivos generales. Desarrollar un robot móvil que cumpla con las condiciones de la competencia de seguidores de línea propuesta en la materia de sistemas digitales.

1.3. Objetivos específicos. Diseñar una alternativa donde el mecanismo de control utilice solo una lógica de compuertas. Investigar sobre todos los conceptos y elementos necesarios para el desarrollo del robot. Aprender a manejar situaciones inesperadas y analizar la mejor forma para resolver los inconvenientes afrontados.

2. DISEÑO

Fig. 1. Diseño inicial del móvil en SolidAge 2.1. Propuestas de modelo. El modelo utilizado en la construcción del robot seguidor de línea, fue creado a partir del software SolidAge, utilizando conocimientos de otra materia vista por uno de los integrantes del grupo que corresponde a la carrera de Ingeniería Mecánica, el modelo se realizó buscando el mayor rendimiento del móvil, el diámetro escogido para las llantas sería entonces uno que brindara el mayor recorrido posible en una sola rotación del servo motor incorporado al robot seguidor de línea, además se implementa un carro un poco más grande con la finalidad que el carro no base el seguimiento de la línea con dos sensores sino con cuatro, lo cual generaría más estabilidad en el momento de las curvas, garantizando su óptimo funcionamiento. 2.2. Análisis de los posibles materiales requeridos para la construcción del carro Para elegir el material más apropiado en el cual realizar el móvil, se basó en las necesidades de estabilidad, fuerza y peso que necesitaba el robot seguidor de línea para un mayor rendimiento con un gasto mínimo de energía a causa de sus materiales de construcción.

Los materiales considerados fueron acrílico, balso y resina. El material elegido fue el acrílico, el cual brinda una estabilidad al móvil sin añadirle un peso extra excesivo, esto permite una mayor optimización de la energía proporcionada por la fuente interna del móvil. 2.3. Análisis de las ventajas y desventajas del modelo El modelo cuenta con un ancho y largo apropiado que le permite acoplarse a las características de la pista para la que fue diseñado. Las llantas utilizadas en el robot seguidor de línea proporcionan una mayor área de rotación, esto significa un mayor recorrido en un solo giro, proporcionan también una separación entre el suelo y los sensores, ideal para permitir la reflexión de los rayos infrarrojos hacia los sensores. Una de las desventajas del uso de estas llantas es el peso que estas ejercen hacia afuera sobre la pared de acrílico, esto causa una pequeña desviación en el curso del móvil; también se usa la rueda loca en la parte posterior del carro con el fin de que las ruedas delanteras lleven el sentido y la orientación del mismo, al igual el peso de las pilas y las protoboards por las cuales se maneja el carro están en la parte donde se encuentra la rueda loca, lo que genera una excelente estabilidad en el momento del movimiento del carro; una supuesta desventaja es que la primera propuesta del carro era que se manejara simplemente con dos sensores, lo cual fue reevaluado y cambiado debido a que el mayor radio de las llantas permiten más espacio avanzado por vuelta recorrida, lo que en un momento con dos sensores se convertiría en una desventaja pues existe la posibilidad que para el carro con la velocidad que tiene no sean suficientes los dos sensores y este se pierda de la línea, debido a esto se le implementaron los cuatros sensores encargados de la corrección de la línea, lo que da un mayor rango en la velocidad que pueda llegar a adquirir el carro. 2.4. Diseño en planos El diseño del carro en planos, es el mostrado en la figura 2, este es modelo realizado por el estudiante del grupo que tenía conocimientos de mecánica quien diseñó y propuso el modelo siguiente. Las ventajas

en comparación con otros es que con este, al tener mayor área de móvil, da una mayor estabilidad y mayores posibilidades para la ubicación del peso del carro, es decir, el centro de masa. Además con este modelo las llantas más grandes se convierten en una gran ventaja ya que este está diseñado para que con ese tipo de llantas la distancia de los sensores sea precisa y las llantas se conviertan en la mayor parte direccional y de estabilidad del carro.

Fig. 2. Planos del móvil

2.5. Construcción. Para la construcción del carro, se utilizó el modelo realizado por el integrante del grupo, con este se sacaron las medidas de cada una de las piezas que componen la estructura del móvil, con estos planos se elaboró cada una de las piezas en el acrílico estipulado (acrílico 2,5 mm de grosor), luego se procedió a perforar las piezas en cada uno de los puntos donde se requería, ya que se necesitaba montar los servo motores y adaptar los sensores. para la instalación de los servo motores al acrílico se utilizaron tornillos pasantes de manera que con cuatro tornillos el servo se sostuviera en la pieza de acrílico, para adaptar las llantas al servo se tuvieron varios factores en cuenta, primero que todo necesitábamos un acople entre el servo y las llantas que maneja el móvil, el cual no existe, entre los acoples predefinidos que traen los servos, lo que se hizo fue crear unos acoples en resina de tal forma que se adapten al servo y a la llanta al mismo tiempo, para cuando el servo ejerce el torque la llanta también lo haga, para el mejor acople de la llanta y el servo se usa un tornillo pasante desde la parte externa de la llanta hasta el servo. La rueda loca se implementa en la parte posterior del móvil por medio de tornillos, las baquelas de los sensores también

fueron adaptadas al móvil por medio de tornillos, para finalizar se procedió a juntar las piezas con un pegante especial conseguido en el mismo lugar donde se hicieron las piezas de acrílico.

Fig. 3. Diseño inicial del móvil con servomotores

3. SENSORES El carro cuenta con un total de 6 sensores IS471F, de los cuales cuatro están destinados como seguidores de línea y 2 como contadores. Los 4 sensores seguidores de línea están ubicados como se muestra en la figura.

Fig. 4. Ubicación de los sensores seguidores de línea en el piso del móvil Mediante esa ubicación de sensores se busca una mayor precisión en el recorrido de la línea, los dos sensores internos deben estar siempre dentro de la línea a seguir, y los dos sensores exteriores reafirman

esta condición y permiten dar ajustes más precisos de dirección, ganando así más control sobre el móvil. Los dos sensores contadores se ubican en el eje del móvil y su función es indicar la finalización del recorrido para el cual el móvil esta especificado, al dar por finalizado este recorrido los sensores muestran el final del circuito y detienen el móvil. El motivo de esta ubicación de los sensores contadores se debe a que estos solo deben leer la línea de llegada/salida, al estar ubicados en el eje del móvil y separados entre sí, solo pueden tomar la señal de dicha línea.

4. ALIMENTACION Sabiendo del carácter autónomo del móvil se ha decidido trabajar con baterías recargables como fuente de alimentación. El desarrollo de este diseño se centró en la necesidad de polarizar las dos principales etapas del móvil, 5 voltios para los sensores y el resto de circuitos integrados, y 10 voltios para los servo motores. En primer momento se trabajo con los reguladores que proporcionaran solución a las necesidades de voltaje, aunque las pérdidas por disipación de calor eran inaceptables, luego se presentó la posibilidad de utilizar las fuentes conmutadas, se replanteó la polarización del circuito y se desarrolló sobre una protoboard esperando poder hacer el diseño del PCB después, pero por cuestiones de tiempo esta implementación no se pudo llevar a cabo.

• REGULADORES DE VOLTAJES El regulador de voltaje Análogo en casi una carga constante de corriente y voltaje por lo que disipa mucho más calor mientras que los reguladores de voltaje Conmutados usan una señal de alta frecuencia que los cambia de un estado de no conductor a un estado de conductor completo, y este proceso contribuye a disipar menos calor. El mayor problema con los reguladores de voltaje Análogos es el calor. El calor presente en este tipo de reguladores debe ser disipado eficientemente y esto requiere el uso de grandes superficies de disipadores y un buen flujo de aire, para asegurar condiciones de trabajo aceptables. El regulador de voltaje

Conmutado también genera algún calor pero mucho menos que su contraparte, entonces enfriar este tipo de reguladores es menos complicado, aunque necesario. Aparte del problema del calor, otro punto muy importante a considerar entre estos dos tipos de reguladores es el problema del ruido. Los reguladores de voltaje Análogos no generan ruido porque no tienen que pasar de un estado al otro mientras trabajan. Como sea, este no es el caso de los reguladores de voltaje Conmutados. Porque los reguladores de voltaje Conmutados están continuamente cambiando de un estado a otro generando ruidos residuales y si este ruido no es filtrado eficientemente puede fácilmente corromper los datos de la placa madre. Más aún, la señal de alta frecuencia utilizada para controlar los reguladores de voltaje también se puede irradiar a sí misma y contribuir a alguna corrupción de datos, por lo tanto se debe tener gran cuidado en la construcción de este tipo de reguladores.

• FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADA

Usualmente la entrada es una tensión proveniente del arreglo de alimentación y la salida es una tensión continua que se mantiene por mucho más tiempo y de manera más eficiente que un regulador. Las fuentes conmutadas tienen por esquema: rectificador, conmutador, transformador, otro rectificador y salida. La regulación se obtiene con el conmutador, normalmente un circuito PWM (Pulse With Modulation) que cambia el ciclo de trabajo. Aquí las funciones del transformador son las mismas que para fuentes lineales pero su posición es diferente. El segundo rectificador convierte la señal alterna pulsante que llega del transformador en un valor continuo. La salida puede ser también un filtro de condensador o uno del tipo LC. Por otra parte Las fuentes conmutadas obtienen un mejor rendimiento, menor costo y tamaño.

5. CONTROL

El control lógico del móvil está compuesto esencialmente por compuertas lógicas 7432, 7408, 7404, 7400, OR, AND, NEGADOR y NAND respectivamente.

En el diseño de la lógica del móvil se utilizó una cantidad total de 2 compuertas OR, 1 compuerta AND, 1 compuerta NEGADOR y 1 compuerta NAND, las cuales se encargan del control de los sensores para el correcto movimiento del móvil y del control de parada de este. El método utilizado por los autores del proyecto, para crear la lógica el móvil se basó en la realización de una tabla de verdad que contenía como entradas los sensores llamados A, B, C, D y como salidas S1, S2, S3, S4 que indican las los entradas de cada servo, así S1 y S2 son las entradas para la primera llanta y S3 y S4 son las entradas para la segunda llanta. Estas salidas se pasaban por el puente H doble de referencia 754410NE, el cual daba las salidas para las llantas.

Fig. 5. Diseño lógico en protoboard para el móvil seguidor de línea

6. ESTRATEGIA DE PARADA El móvil cuenta con dos sensores con la función de contadores, estos sensores envían su señal a una compuerta AND que verifica que los dos hayan encontrado la línea y contado correctamente, una vez que esta condición se dé, esta señal pasa a ser la señal de entrada de el integrado 74LS194, un modificador bidireccional de registros, a este se la da una entrada de 8 en binario (1000) y él a medida que le llegue el pulso enviado por los dos sensores, el integrado se encargará de cambiar el 1 de posición, ya sea para la derecha o para la izquierda dependiendo de cómo se programe. Al conocer este funcionamiento se sabe que en el momento que el 8 se haya convertido en 1 (0001) es cuando el carro tiene que parar debido a que ya ha completado el circuito. Simplemente interesa la salida 1, es decir el bit más significativo, y éste es la señal que se envía a una compuerta NAND, esta compuerta normalmente esta conectada al enable del puente H, es decir la compuerta recibe siempre

un 1 y la salida que interesa del 74LS194, de ahí saldrá la señal que le llega al enable del puente H lo que hará que el puente H funcione cuándo la entrada sea 1 y que detenga el carro cuando la entrada sea 0.

CONCLUSIONES

El tamaño de las llantas brinda mayor área de cobertura, mayor avance, con un solo giro del servo motor, así se puede aprovechar la potencia y velocidad de este. Los motores servos brindan una gran potencia, resistencia y poca inercia, indispensable para el buen funcionamiento y control del móvil, y son de tamaño cómodo para su utilización en espacios pequeños. Los emisores infrarrojos deben estar a una distancia prudente del suelo debido a que deben tener el espacio necesario para que el rayo de luz tenga la oportunidad de reflejarse y regresar para ser captada por el sensor IS471F.

REFERENCIAS

Frederic Giamarchi, Robots móviles. Estudio y construcción. Josehp Jonnes, Anita N. Flynn, Bruce A. Sticpeiger Moviles robots: inspiration to implementation. www.alldatasheet.com. John P Vyemura, Diseño de sistemas digitales: un enfoque integrado.