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Cód. 285744 – 285750. Informe – 01.
Control: Introducción a la Plataforma LEGO Mindstorms Julián A. Alarcón Manrique, Daniel M. Vargas Corredor, Control. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA.
Resumen — En este laboratorio se realizaron dos prácticas que se basaban en realizar una interfaz entre un Software y un Hardware, en este caso se utilizó el software LEGO para poder mover un motor por medio del Brick y que este movimiento pueda ser modificado fácilmente mediante la manipulación de un código, con ello se podrá introducir más en la utilización de la plataforma LEGO. Palabras Clave — Control, Hardware, LEGO, Mindstorms, Motor, Posición, Software, Velocidad.
I. OBJETIVOS A. Objetivo General General
En esta primera práctica se pretende familiarizar al alumno con las herramientas básicas necesarias para la implementación de algoritmos de control en la plataforma de Lego Mindstorms Mindstorms NXT. El lenguaje que se utilizará para la programación es el denominado NXC (Not eXactly C) para los Lego NXT, el entorno de programación será el proporcionado por el software Brick Command Center B. Obj etivos eti vos Específ i cos
Identificar los componentes principales de la plataforma LEGO Mindstorms como lo son los sensores, actuadores y unidades de procesamiento (Brick).
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Examinar las características técnicas de los sensores, actuadores y los componentes internos del Brick. Estudiar las diferentes herramientas de programación presentes en el software Brick Command Center. Reconocer las estructuras básicas de programación del lenguaje NXC. NXC. II. I NTRODUCCIÓN
La plataforma LEGO de Mindstorms es una aplicación muy utilizada en la industria de la robótica mas que todo para sistemas de control que no necesitan un esfuerzo muy grande ni tampoco requerimientos muy extremos, si no como para prototipos de robots, controles de velocidad, control de sistemas y aplicaciones que comúnmente se pueden encontrar en el área de la ingeniería. Para este caso se va a realizar una pequeña aproximación en el área de la programación con software del Brick NXT y con lenguaje NXC para conocer sobre algunas de las funciones y variables que son manejadas en este tipo de estructuras; esto se realizara mediante el control de velocidad y posición de un motor modificando su funcionamiento por medio de un programa copiado en el Brick por medio de Bricx Command Center .
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III. PROCEDIMIENTO DEL LABORATORIO Para realizar este laboratorio es necesario dividirlo en 2 secciones, primeramente se va a realizar un análisis y familiarización con el hardware y la segunda parte consiste en ver cómo funciona el software y la forma de utilizarlo para manejar un motor.
Ahora bien, se puede especificar que contiene cada módulo internamente y así se puede saber con qué recursos se cuenta para la ejecución de un programa. Procesador Principal:
Atmel® 32-bit ARM® processor, AT91SAM7S256
A. I ntr oducción al H ardware
-
256 KB FLASH
1) Características Técnicas De La Unidad Básica De Procesamiento Brick
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64 KB RAM
-
48 MHz
El Brick de Lego® es un dispositivo programable de grandes aplicaciones en el área de la robótica, debido a su fácil uso con el software Brick Command Center , el cual utiliza un lenguaje de programación de alto nivel por lo cual es muy fácil de implementar cualquier programa y de esta forma utilizar el hardware disponible para el Brick al gusto del programador. Antes de poder usarlo correctamente, es necesario conocer sus características técnicas como su capacidad de memoria, de procesamiento, que tipo de protocolo de comunicación utiliza con sus componentes y como puede ser utilizado el mismo. Primeramente se va a realizar un pequeño esquema de cómo es la configuración interna del Brick para así conocer la relación entre cada uno de sus módulos y poderlos analizar con detalle a cada uno de ellos.
Co-Procesador:
Atmel® 8-bit AVR processor, ATmega48 -
4 KB FLASH
-
512 Byte RAM
-
8 MHz
Comunicación Inalámbrica Bluetooth:
CSR BlueCore 4 v2.0 +EDR System -
Perfil de Puerto Serial (SPP)
-
Interna 47 KByte RAM
-
Externa 8 MBit FLASH
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26 MHz
Comunicación USB 2.0:
Velocidad Máxima (12 Mbit/s) 4 Puertos de Entrada:
6-conexiones de interface digital y análoga -
1 puerto de alta velocidad, IEC 61158 Tipo 4/EN 50170 compliant
3 Puertos de Salida:
Figura 1. Configuración interna del Brick. [1] 22 de Febrero de 2013
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6-conexiones soportadas para interfaz de codificadores de entrada. Display:
LCD de 100 x 64 pixeles a blanco y negro -
Área: 26 x 40.6 mm
mucho a una cantidad de aplicaciones que puede utilizar muchos más periféricos tanto de salida como de entrada. Por ultimo otra de las restricciones más visibles del Brick es su espacio de impresión en pantalla ya que solo permite imprimir hasta 8 líneas al tiempo y existen múltiples aplicaciones donde la pantalla tiene que mostrar muchos más caracteres para poder asociar al usuario con el entorno del hardware.
Altavoz:
Canal de salida con una resolución de 8 bits 3) Características Técnicas De Sensores [2].
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Frecuencia de muestreo de 2-16 KHz
Ultrasonido
4 Botones de Interfaz con el Usuario:
Botones de goma Fuente de Energía:
6 Baterías AA -
Recomendable Alcalinas
-
Batería Recargable de Litio
Conector:
6-conexiones con conector RJ12 con ajuste lateral derecho.
2) Limitaciones Del Brick
El Brick aunque es un dispositivo de una amplia variedad de aplicaciones, también posee cierta cantidad de limitaciones que no permite que sea utilizado en algunas áreas de la ingeniería. Una de las grandes desventajas de esté es que la memoria para almacenar los códigos en NXC es muy pequeña y cuando esta se encuentra muy saturada no se puede copiar archivos nuevos para ser ejecutados por el Brick, por otro lado una limitación también importante es la cantidad de entradas y salidas del dispositivo ya que este solo posee 3 salidas y 4 entradas que limita 22 de Febrero de 2013
Figura 2. Sensor Ultrasónico.
Sensor Digital que realiza una medición de distancias por medio de ultrasonido. Transmite mediante protocolo de comunicación . Disparo simple: Realiza una medición cada vez que el byte de orden se desvía, identificando hasta 8 objetos para guardarlos en un arreglo de 0 – 7 bytes. Medición Continua: Tipo de medición por defecto que se realiza una nueva medición continúa en el intervalo.
EOPD(El ectro Optical Proximi ty Detector)
Sensor de proximidad Opto-eléctrico, utiliza la luz visible para su operación. Dos modos de operación: sensibilidad por 1X y 4X. Cada uno tiene una frecuencia de muestreo ligeramente diferente (figura 3).
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Giroscopio
Este sensor mide los giros que realiza el dispositivo y devuelve un valor que representa los grados de rotación por segundo. Puede medir hasta ± 360 ° por segundo de rotación. Figura 3. Funcionamiento sensor EOPD
Permite lectura de 300 mediciones por segundo. Puede leer hasta 300 muestras por segundo.
El eje de medición se encuentra en el eje vertical (figura 6).
Color
Sensor de color que funciona mediante el uso de un LED blanco.
Figura 6. Eje de medición del Giroscopio. Figura 4. Sensor de color.
Debe ser manejado a una distancia no muy cercana al objetivo (figura 4).
Acelerómetro
Este es un acelerómetro de 3 ejes que mide la aceleración en X, Y, Z (figura 7).
Para el uso de este sensor es necesario de unas equivalencias para cada color y que de esta forma se pueda manejar desde el programa (figura 5).
Figura 7. Ejes del acelerómetro.
Puede ser utilizado para medir la inclinación sobre los ejes.
Figura 5. Tabla de colores 22 de Febrero de 2013
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B. I ntr oducción al Software
Touch
1) Estructura Básica De Programación NXT
La estructura básica de la programación del NXT se encuentra en lenguaje NXC que quiere decir Not eXactly C, lo cual indica que es muy similar al lenguaje utilizado en C pero con algunas pequeñas variaciones en los comandos, lo cual facilita el manejo del entorno de desarrollo. [3]
Figura 8. Sensor Touch.
Sensor que detecta la presión de un objeto (figura 8). Reacciona al tacto y al soltar Puede ser utilizado para detectar una serie de pulsaciones en un dispositivo. Se da un rango de sensado de 0 a 100 mostrándolo con un LED.
Br újula magné ti ca
Primeramente un programa diseñado en NXC se compone de 2 partes fundamentales que son bloques de código: las tareas y las funciones, cada tipo de bloque tiene sus propias características únicas, pero comparten una estructura en común. El número máximo de bloques en tareas y funciones es de 256. Hay dos formas de ver la estructura del código, el modo en el que se ve en la programación y la forma en la que se ejecuta en el programa, ya que en la ejecución se puede saltar entre líneas para ir a alguna tarea o función descrita anteriormente por ejemplo. El orden léxico (orden de escritura) es importante para el lenguaje NXC pero no lo es para el Brick NXT, por lo tanto en el orden en el cual un programador escriba un código no tiene ningún efecto en el orden de ejecución, pero para esto existen unas normas de control para el orden de ejecución.
Figura 9. Brújula magnética
Contiene una brújula digital que calcula el ángulo de partida mediante un campo magnético (figura 9).
El momento en el cual cualquier otra tarea que será ejecutara es determinada por las funciones API documentadas en el módulo de comando. Una función se ejecutara una vez que sea llamada desde un bloque de código.
Por otro lado también existen normas para el orden léxico, las cuales son:
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Tiene que haber una tarea principal y esta tarea se ejecutará siempre en primer lugar.
Cualquier identificador que nombra una tarea o función debe ser conocida por el compilador antes de utilizarlo en el bloque de código.
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Una tarea o función definida debe ser reconocida por el compilador. Una tarea o función tiene que tener una nomenclatura adecuada para el compilador.
str: Cadena de caracteres a pintar Options: Opciones de dibujo las cuales se dan con los números:
Una vez que una tarea o función se define no puede ser redefinida o declarada. Una vez que una tarea o función se declara no puede volver a ser declarada.
Ahora conociendo esto, se puede conocer que tipos de variables son comúnmente utilizadas en la programación con NXC, las cuales son prácticamente las mismas para cualquier otro lenguaje de programación.
bool: Booleano o bandera
byte: Entero de 8 bits
char: Tipo carácter de 8 bits
int: Entero de 16 bits
short: tipo short de 16 bits
long: Entero de 32 bits
unsigned: Es usado para modificar los tipos chart, int y long.
float: Flotante de32 bits
mutex: valor de 32 bits usado para sincronizar el acceso a recursos
string: Tipo cadena de caracteres
Structures: Definir estructuras en el programa
Arrays: Tipo de vectores
Estos son los tipos de variables que se van a utilizar de ahora en adelante y también es necesario definir algunos de los comandos que van a ser utilizados en este laboratorio. TextOut:
Es un comando de salida que se utiliza para dibujar texto en el Brick especificando una serie de parámetros como (x,y,str,Options): x: Coordenada en x para el inicio del texto y: Coordenada en y para el inicio del texto
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0000: Normal 0001: Limpiar toda la pantalla 0002: Limpiar todo excepto
la pantalla de
estado. 0004: Limpiar pixeles 0008: Lógico And 0010: Lógico Or 0018: Lógico Xor 0020: Llenar la forma 0003: Limpiar modos de pantalla 0400: Poli línea, polígono 0800: Limpiar línea 1000: Borrar hasta el final de la línea después de escribir.
NumbOut:
Es un comando de salida que se utiliza para dibujar en el Brick pero esta vez solo para uso de números utilizando los mismos parámetros que utiliza TextOut OnFwd:
Este comando realiza el movimiento del motor en sentido positivo. OnRev:
Este comando realiza el movimiento del motor en sentido negativo. Off:
Este comando apaga los motores sin importar en qué dirección se estén moviendo. Wait:
Realiza una interrupción en el programa en una cantidad específica de milisegundos. MotorActualSpeed:
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Esta función retorna el valor de la velocidad actual del motor. MotorRotationCount:
Esta función retorna el valor de rotaciones actuales del motor.
2) Diseño e implementación de los algoritmos.
Después de conocer la estructura básica de la programación NXT, y a ver analizado sus distintas herramientas y comandos se puede proceder a realizar el código para controlar la velocidad del motor siguiendo un patrón de señal de diente de sierra como se puede ver en la imagen (figura 9), para ello es necesario realizar un ciclo para que se ejecute el programa por un tiempo o cantidad de ciclos dados.
Figura 9. Patrón para el control de velocidad y posición.
El código que se va a utilizar va a usar los comandos MotorActualSpeed el cual indica el valor de la velocidad que lleva el motor que se encuentra conectado en la salida A del Brick, también se va a utilizar TextOut y NumOut los cuales imprimen en la pantalla del Brick el texto y los números deseados con una serie de reglas que fueron descritas anteriormente, con ello se puede proceder a programar el código de la velocidad (figura 10). [4]
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Figura 10. Programa para controlar la velocidad del motor
Con este código se puede observar en la práctica que el motor va aumentando la velocidad poco a poco hasta llegar a un máximo definido y luego se detiene, iniciando de nuevo el ciclo por 10 veces. Con este código realizado se puede proceder para realizar el control del motor teniendo en cuenta la posición, para ello se va a utilizar el comando que mide las rotaciones del motor (MotorRotationCount), y hay que tener en cuenta que el motor tiene que girar hasta una posición y devolverse rápidamente al punto de partida con el fin que se cumpla un diente de sierra casi perfecto pero que en la práctica seria con una pendiente un poco menor porque no se puede devolver en un tiempo cero, de esta forma el código también tendrá que ser un ciclo (figura 11).
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El mas mínimo cambio en el código del Brick puede llegar a efectuar cambios enormes en el funcionamiento del hardware, por lo tanto hay que ser muy cuidadosos en el uso de las funciones y parámetros que las rigen para el adecuado funcionamiento del dispositivo programable. Un factor muy importante a tener en cuenta es la memoria del Brick ya que esta es muy limitada y solamente acepta una cantidad de programas por lo que si no se encuentra el espacio adecuado el Bricx Command Center no podrá grabar el archivo en el dispositivo por lo tanto no podrá ser implementado.
V. BIBLIOGRAFÍA
Figura 11. Programa para controlar la posición
Con este programa se utilizó una velocidad constante tanto para el avance como para el retroceso, en este caso 40 para avance y 100 para el retroceso para que se pueda aproximar a la señal de diente de sierra y aparte de esto mostrar esta posición en el display del Brick.
IV. CONCLUSIONES
El Brick de LEGO Mindstorm es una muy buena opción para realizar prototipos de nuevos proyectos de la ingeniería como en el campo de la robótica y el control automático de sistemas ya que su programación es muy sencilla y puede ser migrada a otras plataformas. El lenguaje NXC es muy similar por no decir que prácticamente igual al lenguaje C, ya que los comandos y las estructuras de programación pueden ser declaradas de la misma forma que en esté, la única diferencia notable es que existen comandos y funciones específicas para el control y gestionamiento de los recursos y dispositivos que pueden ser implementados en el Brick.
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[1] LEGO MINDSTORMS, «LEGO Mindstorms NXT Hardware Developer Kit,» LEGO Group, 2006. [2] Lego Engineering, «HiTechic Sensors for LEGO Robotics,» Tufts, 22 Septiembre 2009. [En línea]. Available: http://legoengineering.com/index.php?option=com_conte nt&view=article&id=108. [Último acceso: 26 Marzo 2013]. [3] D. Benedettelli, Programming LEGO NXT Robots using NXC, vol. Vesion 2.2, J. Hansen, Ed., 2007, p. 51. [4] Doxygen, «NXC programmer's guide,» NXC, version 1.2.1 r5, [En línea]. Available: http://bricxcc.sourceforge.net/nbc/nxcdoc/nxcapi/modules .html. [Último acceso: 23 Marzo 2013].
