Odómetro Con Encoder Incremental y Arduino

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Práctica 12-Odómetro con encoder incremental

ÍNDICE Objetivo general ................................. ................................................. ................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ............................. ............. 3 Objetivo particular……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………3 Introducción ................................. ................................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ................................. .................................. ................................ ............... 5 Desarrollo ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ........................ ....... 9 Conclusiones generales del equipo ................................. ................................................. ................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ................ 17 Bibliografía y/o Cibergrafía ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ............................ ........... 18 Anexos ............................... ................................................ ................................. ................................. .................................. ................................. ................................. ................................. .................................. ............................ .......... 19


OBJETIVO GENERAL Para la realización de esta práctica se remontan los conceptos de un encoder, vistos en clase. Gracias a estos conceptos lograremos asociar las posiciones por revolución para así lograr medir una cierta distancia (odómetro) respecto al giro de la llanta que se acoplará al mismo.

OBJETIVO PARTICULAR Utilizando en nuestro caso el encoder rotatorio Keyes KY-040, usaremos su entrada giratorio para que nos proporcione una señal mediante los pulsos que este arroja, la posición en la que se encuentra y con base en esto lograr crear un medidor de distancia sencillo con una llanta de minirobot acoplada a este y saber también a partir de un origen saber qué distancia recorre en un sentido y en otro. Cabe mencionar que el encoder utilizado es incremental, dado que provee una posición estratégica desde donde siempre comenzará la cuenta. La posición actual del encoder es incremental cuando es comparada con la última posición registrada por el sensor. Los pines para este codificador rotatorio se identifican en la siguiente ilustración:

El módulo está diseñado para que se produzca una baja cuando los interruptores están cerrados y una alta cuando los interruptores están abiertos. La baja se genera colocando un punto de tierra en el Pin C y pasándolo a los pines CLK y DT cuando los interruptores están cerrados. El alto se genera con una entrada de alimentación de 5V y resistencias de pull-up, de modo que CLK y DT son ambos altos cuando los interruptores están abiertos. No se ha mencionado previamente la existencia de un interruptor pulsador que sea integral para el codificador. Si presiona el eje, se cierra un interruptor normalmente abierto. La función es útil si desea cambiar la función del interruptor. Por ejemplo, es posible que desee tener la posibilidad de realizar ajustes gruesos y finos.

Práctica 12-Odómetro con encoder incremental Mostramos sus condiciones operativas.


INTRODUCCIÓN El encoder rotatorio Keyes KY-040 es un dispositivo de entrada giratorio (como en la perilla) que proporciona una indicación de cuánto la perilla ha sido girada y en qué dirección está girando. Es un gran dispositivo para el control de motores paso a paso y servos. También se podría utilizar para controlar dispositivos como potenciómetros digitales. ¿Cómo f uncion a?

Un encoder giratorio tiene un número fijo de posiciones por revolución. Estas posiciones son medidas fácilmente por pequeños "clicks" cuando gira el encoder. Éste módulo de Keyes tiene treinta de estas posiciones. Por un lado del switch hay 3 pines. Normalmente se denominan A, B y C. En el caso del KY-040, que están orientadas como se muestra.

Dentro del codificador hay dos interruptores. Un interruptor conecta el pin A con el C y el otro interruptor conecta el pin B con el C. En cada posición del codificador, ambos interruptores están abiertos o cerrados. Por cada click hace que estos interruptores cambien a estados de la siguiente manera:

Práctica 12-Odómetro con encoder incremental Si ambos interruptores están cerrados, girando el codificador hacia la derecha o hacia la izquierda una posición hará que ambos interruptores se abran. Si ambos interruptores están abiertos, girando el codificador hacia la derecha o hacia la izquierda una posición hará que ambos interruptores se cierren. La siguiente ilustración es representativa de cómo se construye el interruptor:

Como se puede ver, la posición angular de la terminal A y el terminal B es tal que: Si gira el mando hacia la derecha hará que el interruptor de conexión de A y C cambie de estado en primer lugar. Si gira el mando hacia la izquierda hará que el interruptor de conexión B y C cambien de estado en primer lugar. Si nos vamos a representar a la apertura de un cierre de los interruptores como formas de onda, se vería algo como esto:

Un encoder , también conocido como codificador o decodificador en Español, es un dispositivo, circuito, programa de software, un algoritmo o incluso hasta una persona cuyo objetivo es convertir información de un formato a otro con el propósito de estandarización, velocidad, confidencialidad, seguridad o incluso para comprimir archivos.

Práctica 12-Odómetro con encoder incremental Para explicar cómo funciona un encoder debemos mencionar que un encoder se compone básicamente de un disco conectado a un eje giratorio. El disco está hecho de vidrio o plástico y se encuentra

“codificado”

con

unas

partes

transparentes y otras opacas que bloquean el paso de la luz emitida por la fuente de luz (típicamente emisores infrarrojos). En la mayoría de los casos, estas áreas bloqueadas (codificadas) están arregladas en forma radial. A medida que el eje rota, el emisor infrarrojo emite luz que es recibida por el sensor óptico (o foto-transistor) generando los pulsos digitales a medida que la luz cruza a través del disco o es bloqueada en diferentes secciones de este. Esto produce una secuencia que puede ser usada para controlar el radio de giro, la dirección del movimiento e incluso la velocidad. Los encoders son utilizados en una infinidad de campos e industrias que van desde máquinas de fax, electro-domésticos de consumo hasta robótica, minería transporte, maquinaria, aeroespacial y más.

Existen básicamente dos tipos de encoder según su diseños básico y funcionalidad: encoder Incremental y encoder Absoluto. Adicionalmente existen otros tipos de encoders como por ejemplo el encoder óptico, lineal y el encoder de cuadratura. El encoder óptico es el tipo de encoder más comúnmente usado y consta básicamente de tres partes: una fuente emisora de luz, un disco giratorio y un detector de luz conocido como “foto detector”. El disco está montado sobre un eje giratorio y cuenta con secciones opacas y transparentes sobre la cara del disco. La luz que emite la fuente es recibida por el foto-detector o interrumpida por el patrón de secciones opacas produciendo como resultado señales de pulso. El código que se produce con dichas señales de pulso es entonces leído por un dispositivo controlador el cual incluyen un micro-procesador para determinar el ángulo exacto del eje. Un encoder lineal es un dispositivo o sensor que cuenta con una escala graduada para determinar su posición. Los sensores en el encoder leen la escala para después convertir su posición codificada en una señal digital que puede ser interpretada por un controlador de movimiento electrónico. Los encoders lineales pueden ser absolutos o incrementales y existen diferentes tipos de encoders lineales según la tecnología usada en su mecanismo, por ejemplo, tecnología óptica, magnética, inductiva o capacitiva. Este tipo de encoder es más utilizado en aplicaciones de metrología, sistemas de movimiento y para controlar instrumentos de alta precisión utilizados en la fabricación de herramientas.

Práctica 12-Odómetro con encoder incremental Un encoder de cuadratura es un tipo de encoder rotativo incremental el cual tiene la capacidad de indicar tanto la posición como la dirección y la velocidad del movimiento. Los encoders de cuadratura se encuentran con mucha más frecuencia en muchos productos eléctricos de consumo y en una infinidad de aplicaciones comerciales. La flexibilidad del encoder de cuadratura es su principal ventaja ya que ofrecen una alta resolución, medición con precisión quirúrgica y pueden trabajar en un gran espectro de velocidades que van desde unas cuantas revoluciones por minuto hasta velocidades que van más allá de las 5,000 RPM. Este tipo de encoder de cuadratura generalmente utiliza sensores ópticos o magnéticos, lo cual los convierte en dispositivos sencillos de usar y extremadamente duraderos. Un encoder incremental , como su nombre lo indica, es un encoder que determina el ángulo de posición por medio de realizar cuentas incrementales. Esto quiere decir que el encoder incremental provee una posición estratégica desde donde siempre comenzará la cuenta. La posición actual del encoder es incremental cuando es comparada con la última posición registrada por el sensor. Los encoders incrementales son un tipo de encoder óptico y este en este tipo de encoder cada posición es completamente única.

Un encoder absoluto se basa en la información proveída para determinar la posición absoluta en secuencia. Un encoder absoluto ofrece un cogido único para cada posición. Los encoders absolutos se dividen en dos grupos: los encoders de un solo giro y los encoders absolutos de giro múltiple y su tamaño es pequeño para permitir una integración más simple. Los encoders absolutos son más comúnmente usados en motores eléctricos de corriente directa sin cepillos (brushless DC motors), en la medicina, la industria del transporte en especial en trenes, en la minería y otras industrias.


DESARROLLO CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y ARMADO DEL ODÓMETRO

Primeramente se muestra un pequeño diagrama en el cual se sugieren las resistencias de pull-up del fabricante. Con esto evitamos que se dispare la corriente y gracias a ello la podemos regular para evitar cualquier daño a nuestro sensor. Valores R2=R3=10kΩ.


DIAGRAMAS DE CONEXIONES

Dado que el odómetro se hizo con arduino, se incluye un diagrama de conexiones del display a la placa arduino.

Cabe señalar que se colocó un potenciómetro de 10k Vo, precisamente para tener el control del contraste del mismo display como un extra. Ahora se muestran las conexiones del arduino al encoder, hechas con el programa fritzing.


CÁLCULOS PREVIOS

Para la utilización de este encoder es necesario saber que la llanta que utilizaremos es de 6.2cm de diámetro.

Práctica 12-Odómetro con encoder incremental Poder saber la posición de la rueda y si está girando hacia adelante o hacia atrás empleamos el siguiente código en arduino, con el fin de obtener cuantos pulsos hay en una revolución. 1.

/* Arduino Rotary Encoder Tutorial

2.

* * by Dejan Ned elkovski, www.HowToMechatronics.com * */

3. 4. 5. 6. 7. 8.

#define outputA 6 #define outputB 7

9. 10. int counter

= 0;

11. int aState; 12. int aLastState; 13.

setup() { (outputA,INPUT); 16. pinMode (outputB,INPUT); 14. void

15. pinMode

17.

Serial. begin (9600); 19. // Reads the initial state of the outputA 20. aLastState = digitalRead (outputA); 21. } 18.

22.

loop() { aState = digitalRead (outputA); // Reads the "current" state of the outputA 25. // If the previous and the current state of the o utputA are different, that means a Pulse has occured 26. if (aState != aLastState){ 27. // If the outputB state is different to the outputA state, that means the encoder is rotating clockwise 28. if (digitalRead ( outputB) != aState) { 29. counter ++; 30. } else { 31. counter --; 32. } 33. Serial. print("Position: "); 34. Serial. println(counter ); 35. } 36. aLastState = aState; // Updates the previous state of the outputA with the current state 23. void 24.

37.

}

Así que marcamos la rueda y fuimos viendo en el monitor serial la posición respecto a la marca. Con lo que logramos ver que nuestra posición respecto a esa marca. En total fueron 30 pulsos por revoluvión. Entonces procedimos a calcular el perímetro de nuestra rueda.  =  ∗  =  ∗ 6.2 = 6

Luego calculamos la distancia que recorre en cada pulso dividiendo eso entre 30. Obtuvimos que cada pulso que genera en encoder al avanzar sea hacia a adelante o hacia a atrás recorre 0.649cm.


Esto nos llevó a modificar este código y producir uno nuevo, explicado paso a paso a continuación.

Esa parte de la definición de entradas y salidas de acuerdo a los componentes que se utilizaron queda bastante clara ahora pasamos a los pines que se reciben en arduino como entradas de datos y se inicie la comunicación serial junto con el despliegue de un mensaje en el display LCD.


Ahora se muestra el ciclo que conforma la base principal de nuestro odómetro, el cual se explica a continuación.

Cabe señalar que para el uso del encoder no fue necesario utilizar una librería en específico. Ahora bien este ciclo funciona de manera que el estado de nuestra señal de reloj se encuentra en 1 o en 0. Y se comienza una sentencia de comparación en la cual se predefinió el estado previo de “a” como primera lectura y luego se define el estado actual de “a” como otra lectura.

La comparación radica en 2 estados de posición de acuerdo a los interruptores dentro del encoder, si ambos son distintos, entra la nueva sentencia, en la cual se dice: “Si gira el mando hacia la derecha hará que el interruptor de conexión de A y C cambien de estado en

primer lugar. Si gira el mando hacia la izquierda hará que el interruptor de conexión B y C cambien de estado en primer lugar. ” Si suceden ambas cosas, el contador comienza a incrementarse en 1 y la distancia de sobreescribe como el valor que ya calculamos antes por pulso que envía la señal clk del pin 7. En caso de que suceda lo contrario, habrá un decremento en el contador y en vez de sumar la distancia que recorre cada pulso, la restará.


Finalmente se muestran los datos de la distancia recorrida de acuerdo a la suma o resta de pulsos de acuerdo a la siguiente manera en el display o también en el monitor serial de la ide de arduino

Ahora mostramos las fotografías del circuito armado.




He aquí nuestro circuito funcionando, midiendo distancia hacia adelante y si del origen se pasa, marca la distancia recorrida hacia el otro lado.


CONCLUSIONES Gracias a la realización de este sensor logramos identificar el funcionamiento de un decodificador incremental al cual, con base en la teoría ya vista durante clases, comprendimos la importancia de determinar la correcta variación de posición por medio de realizar cuentas incrementales aprovechando los pulsos que este genera en los 2 estados de acuerdo al sentido de giro. Para lograr esto tuvimos primero que comprender como es que funciona la lógica de un decodificador incremental y calcular la cantidad que recorría la rueda acoplada al encoder de forma tal que supiéramos la distancia recorrida por 1 pulso y el número de pulsos que hay en una rueda teniendo siempre presente que estos datos van a variar dependiendo diámetro de la misma.

Práctica 12-Odómetro con encoder incremental Finalmente podemos decir que no fue fácil encontrar información de este sensor dado que el fabricante es coreano, sin embargo el correcto funcionamiento de este dependió mucho de la utilización de las resistencias de pull-p del decodificador para no sobrepasar sus límites de correcta operatividad.

BIBLIOGRAFÍA Y CIBERGRAFÍA [1] http://henrysbench.capnfatz.com/henrys-bench/arduino-sensors-and-input/keyes-ky-040-arduinorotary-encoder-user-manual/#The_Keyes_KY-040_Rotary_Encoder [2] http://www.microjpm.com/products/encoder-giratorio-ky-040/ [3] http://www.microjpm.com/products/encoder-giratorio-ky-040/ [4] http://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/rotary-encoder-works-use-arduino/

Práctica 12-Odómetro con encoder incremental [5] http://www.lbaindustrial.com.mx/que-es-un-encoder/ [6] http://en.keyes-robot.com/productshow.aspx?id=181

ANEXOS Dentro de la carpeta de esta práctica, se incluyen las hojas de especificaciones de los componentes utilizados a destacar en esta práctica en PDF, así como diagramas de conexión y/o simulaciones de los cir cuitos p resentados y códi gos de progr amas.

Odómetro Con Encoder Incremental y Arduino

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