FUNDACIÓN UNIVERSITARIA DE SAN GIL UNISANGIL FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES E INGENIERÍAS INGENIERÍA ELECTRÓNICA SOLUCIONES CON EXCELENCIA
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Diseño y construcción de un robot seguidor de línea negra Milton. Sierra Solano, Camilo. Torres Ramos UNISANGIL,
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Abstrac—This paper present the basic steps to build a line follower robot. Were examined some concepts like mechanical structure, transmissions, sensors system, and circuit design. This concepts were applied for design and building of a black line follower robot. This robot was programed using a freescale microcontroller MC9S08JM60. Also there are explantion of electronic design and programation algoritm.
control lo cual haría un robot mucho más eficiente en su desempeño.
Resumen—En este trabajo presenta los pasos básicos para la construcción de un robot seguidor de línea. Se examinan conceptos como Estructura mecánica, transmisiones, sistema sensorial y diseño electronico. Estos conceptos fueron aplicados al diseño y construcción de un robot seguidor de línea negra programado con el microcontrolador MC9S08JM60 de Freescale. También se explica el diseño electrónico y el pseudocódigo de programación. Palabras clave— 3 Seguidor de línea, sensor infrarrojo y puente h.
Fig. 1: Sistema de direccionamiento diferencial.
I. INTRODUCCIÓN
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L diseño de un robot seguidor de línea básico requiere tener conocimiento de las diferentes morfologías de robots. La morfología involucra varios aspectos que son muy importantes como la estructura mecánica la cual debe ser rígida y los más liviana posible para que los motores no hagan mucho esfuerzo lo cual influye directamente en el consumo de energía. El sistema sensorial de un robot seguidor de línea está conformado por parejas de emisor y receptores infrarrojos. Para acondicionar las señales de los sensores se puede hacer analógicamente o digitalmente por medio de un conversor análogo a digital. El sistema de control para los motores se hace mediante la técnica de modulación por ancho de pulso (PWM). Lo ideal en el diseño de un robot es caracterizar todos los subsistemas para implementar técnicas avanzadas de control cinemático y dinámico del robot.
II. MORFOLOGIA DEL ROBOT Como la superficie es plana y libre de obstáculos la solución más adecuada y simple es una estructura con dos ruedas de tracción y una rueda libre para apoyo. El tipo de direccionamiento que se utilizo fue de tipo diferencial [1] donde se utilizan dos ruedas que proporcionan la tracción y la diferencia de velocidades determinan la dirección de desplazamiento. Lo ideal en este tipo de estructura mecánica es hacer un modelado de los motores para determinar los tiempos de respuesta y aplicar una técnica de
A. Sistema sensorial Para los seguidores de línea negra es necesario utilizar sensores infrarrojos. Un método básico y sencillo para acondicionar las señal de los sensores consiste en recurrir al uso de comparadores mediante el uso de amplificadores operacionales, la otra opción es utilizar un microcontrolador que tenga integrado un conversor análogo a digital. Para este diseño se implementó un detector de luz infrarroja con salida digital, el cual incorpora un modulador/demodulador de onda para tener mayor inmunidad a la luz ambiente, este sensor funciona generando un tren de pulsos con los cuales alimentan al Emisor; el receptor tiene un filtro pasa banda en la frecuencia de los pulsos del emisor, así que de esta manera evita lecturas erróneas generadas por otras fuentes de luz. Esto asegura que el sensor solo detecte las ráfagas emitidas por el emisor infrarrojo. Este sensor se usa en aplicaciones de detección de objetos para aplicaciones de Robótica y finales de carrera ópticos. La referencia de este sensor es IS471FE [2]. En la figura 2 se expone el circuito esquemático donde el pin 2 es la salida digital del sensor.
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Fig. 2: Circuito básico con el IS471FE.
B. Estructura mecánica La parte mecánica en lo que concierne a transmisiones y motores es muy importante a la hora del desempeño del robot. Para este robot seguidor de línea se implementó un micro motor con relación 100:1 de alta calidad el cual está diseñado para trabajar a un voltaje nominal de 6Vdc, tiene un rango de trabajo de 3 a 9 Vdc. Este moto reductor hace parte de la familia micro motor HP (High Power) de alta potencia los cuales vienen en diferentes tipos de reducciones desde 5:1 hasta 298:1 conservando en todos los casos el tamaño y las características eléctricas del motor. Características del motor:
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Fig. 4: Funcionamiento del PWM
Para proteger al microcontrolador es necesario hacer un circuito de potencia que maneje los motores. El circuito recomendado es un puente H cuya aplicación principal es el control de giro en motores DC. En el mercado existe un circuito integrado L293D [4] que internamente tiene dos puentes H.
Fig. 5: Circuito para manejo de motores
III. DISEÑO ELECTRONICO En la figura 6 se presenta la estructura del circuito electrónico donde los motores son alimentados directamente a las baterías y el microcontrolador junto con los sensores se alimentan de la fuente de 5 voltios. En este caso la principal desventaja es que los motores dependen directamente del nivel de voltaje de las baterías, lo recomendable es implementar una fuente conmutada mediante el uso de reguladores step-up para que mantengan un voltaje fijo sin importar que las baterías se descarguen un poco.
Fig. 3: Micro motor Pololu.
C. Control de velocidad de los motores La velocidad de un motor de corriente continua depende del valor promedio de la tensión aplicada en sus extremos. Por lo tanto la modulación por ancho de pulso (PWM) [3] es un método apropiado. Por ejemplo si se tiene un ancho de pulso al 20% la velocidad seria baja pero a medida que se aumenta el ancho del pulso la velocidad aumenta.
Fig. 6: Sistema de alimentación
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A. Circuito Esquemático
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-Declara Función Inicializa PWM -Declara Función Leer sensores 2. Inicialización -Deshabilita Perro Guardián -Inicializa CPU. -Inicializa PWM 3. Ciclo infinito -Hace función leer sensores. -Hace Función de seguir línea y corregir el rumbo -Memoriza en variables temporales de la última lectura de sensores 4. FIN Ciclo infinito
En la siguiente figura se presenta el circuito esquemático de la fuente de alimentación y el microcontrolador. Las entradas lógicas del puente H se encuentran conectadas a los pines PWM del microcontrolador. Los condensadores C4, C5, C7 y C6 son de 0.1Uf y la función de estos es minimizar los efectos nocivos de los transitorios producidos por los motores.
V. CONCLUSIONES En cuanto a la estructura del robot es de tipo diferencial por lo tanto sería ideal implementar un encoder para cada llanta y de esta manera implementar una técnica de control para la velocidad y el posicionamiento del robot.
Fig. 7: Circuito esquemático
B. Circuito terminado
No cualquier motor de corriente continua se puede usar para un robot seguidor de línea, hay que buscar un equilibrio en buen torque, bajo consumo de corriente y que el motor sea lo más liviano posible. Es muy importante que se tenga guardado en una variable la última lectura de los sensores porque es muy probable que en algún momento dado el robot se salga de la línea y por lo tanto es útil para que este recupere el rumbo. REFERENCIAS
Fig. 8: Circuito impreso
IV. ESTRATEGIA DE PROGRAMACION Para este caso la programación se hizo en lenguaje C [5]. Al utilizar el modulo timer del microcontrolador se tiene la gran ventaja que se configura al inicio del programa como PWM para que el hardware del microcontrolador se encargue de generar la modulación por ancho de pulso y cuando se necesita cambiar el ancho de pulso solo se modifica el registro asociado a esta función.
A continuación se expone los pasos o pseudocódigo del programa principal. 1. Inicio -Declara Función Inicializa CPU .
[1]
Ollero Baturone, A. (2001). Robótica Manipuladores y Robots Moviles. Barcelona: Alfaomega. Pp 30-35.
[2]
Hoja de datos IS471FE por Sharp Microelectronics Corporation.
[3]
Palacios, E., Remiro Dominguez, F., & Lopez Perez, L. J. (2004). Microcontrolador PIC16784 Desarrollo de Proyectos (Primera ed.). Mexico: Alfaomega.
[4]
Hoja de datos L293D por ST SG – Thomson Microelectronics
[5]
Galeano, Gustavo. Programación de sistemas embebidos en C. Alfaomega Colombia S.A, Bogotá. 2009. 544 p.
