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5/24/2018 Revista Robot Rastreador
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MICROBOT SEGUIDOR DE LINEA
MICROROBOT RASTREADORSEGUIDOR DE LINEA
Informe redactado por: Junior Figueroa [email protected]
Estudiante del 6 TOnivel del Departamento de Elctrica y Electrnica.
1. INTRODUCCION
La robtica es una de las aplicaciones ms apasionantes
de la electrnica. Hasta hace poco tiempo haba que ser
todo un experto para poder adentrarse en esa rama de
la electrnica. Hoy en da, gracias al imparable avance
de la microelectrnica, no es difcil construir un
microrobot,denominado tambin microbot, que es unpequeo robot de investigacin que normalmente se
controla con un microcontrolador y est diseado para
realizar tareas concretas.
En este apartado se har referencia al microbot
seguidor de lnea, el cual consiste en un carrito que se
desplaza siguiendo una lnea marcada sobre fondo
blanco a modo de pista. Para un slido aprendizaje y
conocimiento del mismo, se van a desarrollar las
explicaciones necesarias acerca de todos los elementos
y circuitos empleados para la construccin del mismo;
se comenzara explicando el funcionamiento de los
motores y sensores, por lo cual se hace un poco
indispensable tener conocimientos acerca de lasmaterias de Instrumentacin y Sensores, Maquinas
Elctricas, Electrnica y por supuesto conocimientos del
funcionamiento y programacin de los micro
controladores, en especial del PIC16F877A empleado en
este trabajo.
Antes de empezar con la explicacin de la construccin
del microrobot se recomienda al lector buscar
informacin acerca del funcionamiento de los siguientes
elementos: Motores DC con caja Reductora, Sensor
CNY70, Inversor Trigger Schmitt 40106, Driver L293B.
Cabe recalcar que en la realizacin de este trabajo se
hicieron las pruebas respectivas y necesarias por
separado (en los laboratorios
de Microcontroladores) de los motores junto con el
L293B, as como de los sensores junto con el Inversor
Trigger Schmitt 40106; dichas pruebas no se
mencionaran aqu, pues este apartado es nicamente
dedicado a la construccin del microrobot seguidor d
lnea en s.
Agradezco a mis compaeros: Roberto Roca Roja
([email protected]), y Luis Balsec([email protected]) que formaron partimportante del equipo de trabajo, con los cuales s
logro la completa realizacin de este gran proyecto.
2. CONOCIMIENTOS PREVIOS
2.1. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
El conocimiento de los sistemas control de motore
de corriente continua c.c. (o DC) de pequepotencia es fundamental en la aplicacin co
microcontroladores. El primer problema
considerar es la forma de alimentar el motor, y
que la corriente mxima que puede proporciona
cualquier lnea de salida de un PIC16F877A est
limitada a 25 mA como mximo. Esta corriente edemasiado baja para alimentar un motor D
directamente. Por ello, se hace necesario l
utilizacin de transistores que pueden ir configurado
en diferentes disposiciones, siendo la ms utilizada e
Puente en H (Figura 1).
Figura 1.Puente en H con transistores
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected] -
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El problema de este tipo de circuitos es la cada de
tensin real que hay en los transistores y que habr
que compensarle con la tensin de alimentacin.
Para evitar estos problemas se puede utilizar un
circuito integrado como el LM293B.
El L293B es un driver de 4 canales capaz de
proporcionar una corriente de salida de hasta 1 A por
canal. Cada canal es controlado por seales de
entrada compatibles TTL y cada pareja de canalesdispone de una seal de habilitacin que desconecta
las salidas de los mismos. La figura 5 describe cada
una de las patillas de las que dispone el L293B y el
encapsulado de 16 pines.
2.2. INVERSOR TRIGGER SCHMITT 40106
Figura 4CI Trigger Schmitt HEF40106BP
Algunos sensores no proporcionan seales digitales
puras y es necesario conformar dicha seal antes de
aplicarla al microcontrolador, como en el ejemplo
que se muestra en la figura 5.
Figura 5. Seales de entrada y salida de un circuito TriggeSchmitt
Una forma sencilla de conformar una seal en digita
es mediante puertas Trigger Schmitt, como las qutiene el circuito integrado 40106. Este dispositiv
contiene 6 inversores Trigger Schmitt encapsulado
segn se indica en la figura 6.
Figura 6.40106. Seis inversores Trigger Schmitt
2.3. SENSOR OPTICO CNY70
El CNY70 es un sensor ptico reflexivo con salida
transistor (figura 8) fabricado por Vishay Telefimke
Semiconductor. Tiene una construccin compact
donde el emisor de luz y el receptor se colocan en
misma direccin para detectar la presencia de un objet
por medio del empleo de la reflexin del haz de lu
infrarroja IR (Infrared) sobre el objeto. La longitud d
onda de trabajo es 950 nm . El emisor es un diodo LE
Figura 3.Patillaje
del Driver L293B
Figura 2.Driver L293B
Figura 7. Aspecto Fsicode un Sensor ptico
CNY70
http://images.google.com.ec/imgres?imgurl=http://www.voti.nl/common/cny70.jpg&imgrefurl=http://articulo.mercadolibre.com.ve/MLV-6865893-sensores-reflectivos-cny70-para-aplicaciones-roboticas-6x-_JM&h=238&w=250&sz=15&hl=es&start=3&tbnid=m889tUVIlIN2sM:&tbnh=106&tbnw=111&prev=/images?q=Sensor+CNY70&gbv=2&hl=es&sa=G -
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infrarrojo y el detector consiste en un fototransistor.
La distancia del objeto reflectante debe estar entre los 5
y 10 mm de distancia. La corriente directadel diodo IF=50 mA y la intensidad del colector es de Ic= 50 mA
Figura 8.Sensor ptico reflexivo con salida atransistor CNY70
3. CONSTRUCCION DEL MICROROBOTSEGUIDOR DE LINEA
Al plantear la construccin del microbot es interesante
conocer la clasificacin que hace la empresa
Microbtica, una de las pioneras en este campo en
Espaa. Esta clasificacin est basada en la Torre de
Bot o TorreBot (figura 9), que tiene seis niveles, cada
uno de los cuales diferencia un paso e.n el diseo y
construccin del microrobot.
Figura 9.Representacin de la Torrebot
Para la construccin del microrobot seguidor de lnea
solo se hacen uso de los tres primeros niveles, los cuales
se describirn a continuacin:
Nivel fsico. Comprende la estructura fsica, las unidademotoras, y las etapas de potencia. Es posible encontra
desde sistemas sumamente sencillos basados en u
nico motor hasta estructuras sumamente compleja
que buscan emular las capacidades mecnicas d
algunos insectos.
Nivel de reaccin.Est formado por el conjunto dsensores y los sistemas bsicos para su manejo. U
microrobot que haya superado en cuanto a s
construccin tanto el nivel fsico como el de reaccin
se denomina microrobot activo. Estas unidadetrabajan cumpliendo la premisa, "accin-reaccin"
En este caso los sensores son los propio
controladores de las unidades motoras, sin ning
tipo de control intermedio.
Nivel de control. Incluye los circuitos ms bsicos qurelacionan las salidas de los sensores con las restante
unidades. Partiendo de una simple lgica digital
llegando hasta potentes microcontroladores busca
dotar al microbot de la capacidad para procesar l
informacin obtenida por los sensores as com
actuar de una manera controlada sobre las unidade
motoras.
3.1. NIVEL FISICO
Figura 10. Aspecto Fsico de nuestro robot seguidor delnea.
Nivel de
Cooperacion
Nivel deComunidad
Nivel deInteligencia
Nivel de Control
Nivel de Reacccin
Nivel Fisico
Motores DC 12 V con
Reductoras
Ruedas motrices o de traccinEstructura de Metal
Circuito sobre una
regleta de
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3.1.1. NIVEL FISICO. MOTORES
A la hora de elegir un motor para aplicaciones de
microbtica, debemos tener en cuenta que existen
varios factores como son la velocidad, el par, el
frenado, la inercia y el modo de control. Si lo que
queremos es utilizar un motor de corriente continuaexisten varias posibilidades en el mercado.
Motores de corriente continua de pequea potenciaDentro de la gran variedad de tipos existentes en el
mercado los ms econmicos son los que se utilizan
en algunos juguetes. Tienen el inconveniente de que
su nmero de revoluciones por minuto es muy
elevado y su par es pequeo, lo que no los hace muy
apropiados para la construccin de un microbot si no
se utilizan reductoras adicionales o un sistema de
regulacin electrnico.
Motores de corriente continua con reductorasEn los juguetes como Mecano y Lego podemos
encontrar motores con reductoras o la posibilidad de
construirlos. Tambin podemos encontrar en el
mercado, motores con reductoras que adems de
disminuir la velocidad le dan ms par, lo que permite
mover el microbot con su estructura y batera que
proporcionalmente pesa mucho. En el caso del
microbot seguidor de lnea se utilizo un motor DC
reductor 12 V 200 rpm, que a continuacin se
describe.
3.1.1.1. MOTOR DC REDUCTOR 12V 200 RPM
S330125
Motor de corriente continua de 12V con caja
reductora est especialmente indicado para su
utilizacin en robots, ya que proporciona 200
revoluciones por minutos en vaco con un consumo
de 60 mA. El eje del motor es de 6 mm y se acopla
perfectamente con los diferentes casquillos y
adaptadores de ruedas de robots. Existe un soportde aluminio S360214 que facilita el montaje ecualquier superficie. Fuerza: 4,6 Kg/cm
3.1.1.2. FIJACION DEL MOTOR A LAESTRUCTURA
Si se utiliza el motor DC con reductora mencionad
anteriormente o cualquier otro motor de corrient
continua disponible en el mercado, la fijacin a
chasis puede ser ms o menos compleja. Si el moto
tiene una carcasa redonda, que es lo normal, s
puede utilizar una grapa de las utilizadas para fijar e
tubo de las instalaciones elctricas de superficie, ta
como se muestra en la figura 12.
3.1.2. NIVEL FISICO. ESTRUCTURA
Para la construccin del microbot seguidor d
lnea se puede utilizar muchos tipos d
estructuras que dependern de la funcin qu
queramos realizar, no es lo mismo disear un robo
bpedo que un rastreador o un hexpodo. En la figur
13, se puede observar la estructura diseada d
nuestro microbot, la realizacin de la estructur
depende del ingenio de cada persona.
Figura 13.Estructura del microbot seguidor de lnea.
Figura 11.Motor DC 12 V
con reductora.
Figura 12.Fijacin deun motor a una
estructura plana
http://www.superrobotica.com/S360214.htmhttp://www.superrobotica.com/S360214.htmhttp://www.superrobotica.com/S360214.htmhttp://www.superrobotica.com/S360214.htmhttp://www.superrobotica.com/S360214.htmhttp://www.superrobotica.com/S360214.htm -
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3.1.3. NIVEL FISICO. RUEDAS
3.1.3.1. ESTRUCUTURAS SEGN LACOLOCACION DE LAS RUEDAS
Los microbots utilizan dos tipos de ruedas:
Ruedas motrices o de traccin, que estnconectadas al motor mediante un eje y
deben ser capaces de adaptarse a los obstculos del
terreno.
Ruedas "locas", que deben ser capaces de rodar ypivotar sobre s mismas.
Las ruedas se pueden colocar segn alguna de las
estructuras indicadas en las figuras 14 a 15. La
configuracin adoptada para nuestro microrobotexperimental ha sido la correspondiente a la figura 14
que permite un control ms sencillo del sistema.
Figura 14.Estructura tipo coche y Microrobot Trasto
Figura 15.Con direccin diferencial y Estructura de triciclo
3.1.3.2. RUEDAS LOCAS
Las ruedas "locas" deben ser capaces de rodar y
pivotar sobre s mismas con un movimiento lo ms
suave posible para no dificultar la rotacin de
microbot, de lo contrario es posible que se bloquee y
patine.
Figura 16.Rueda "locacon rodamiento.
Las soluciones para este tipo de ruedas pueden se
muchas. Nosotros hemos optado por las de la figur
16, que son ruedas que giran libremente sobre s
eje gracias a una pequea plataforma co
rodamientos, las podemos encontrar fcilmente e
cualquier ferretera, adems hay un gran surtido d
ellas en lo referente a tamaos. Otra opcin podr
ser utilizar la bola de un roll-on de desodorante, a la qu
se le adapta un eje acabado en un terminal para fijarla
la estructura.
3.1.3.3. RUEDAS DE TRACCION
Para la traccin del microrobot se puede utiliza
dos ruedas motrices de un juguete Mecano, o
como en nuestro caso las ruedas de cualquie
otro juguete o las que se pueden encontra
fcilmente en las tiendas que venden material
los centros de Educacin Secundaria para l
asignatura de Tecnologas, pero teniendo l
precaucin de que sean de caucho (como smuestra en la Figura 10) o de un plstico blando
para que no patinen.
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3.1.4. NIVEL FSICO. MOVILIDAD
La estructura que hemos elegido para nuestro
microbot nos permitir realizar movimientos hacia
delante, hacia atrs, giro a la derecha, a la izquierda y
sobre s mismo.
Figura 11.Movimiento hacia delante y atrs
En la figura 11 se muestra como se realiza unmovimiento hacia delante. Se hacen girar los dos
motores en la misma direccin hacia delante, esto
provoca un movimiento rectilneo, suponiendo que
los dos motores sean exactamente iguales. Tambin
se representa la forma de realizar el movimiento hacia
atrs. Se hacen girar los dos motores en la misma
direccin hacia atrs, esto provoca un movimiento
rectilneo, suponiendo que los dos motores sean
exactamente iguales.
Figura 12.Giro en sentido horario y a la izquierda
Por su parte la figura 12 muestra la forma de realizar
un movimiento de giro a la derecha. Se hace girar el
motor izquierdo hacia adelante y el motor de la
derecha hacia atrs. Esto provoca un movimiento de
giro a la derecha de la estructura. Tambin se indica
cmo realizar un movimiento de giro hacia la
izquierda. Se hace girar el motor izquierdo hacia
atrs y el motor de la derecha hacia delante, esto
provoca un movimiento de giro a la izquierda de la
estructura.
Figura 13.Movimiento de giro sobre su propio eje
El movimiento de giro completo sobre su propio ejabarca una superficie muy grande que no hace l
estructura muy adecuada para moverse en recinto
muy pequeos (Figura 13) como podra ser el caso d
movimientos en pruebas de laberintos.
3.2. NIVEL DE REACCIN
Nuestro Microrobot est formado por sistema
electrnicos y sensoriales bsicos para su controSe debe realizar un sistema de control para constru
un microbot reactivo, gobernado por e
microcontrolador PIC16F877A, que sea capaz d
seguir la lnea negra sobre el fondo blanco. A est
tipo de microrobots se los denomina rastreadores.
La figura 14 muestra el circuito elctrico donde s
aprecia que los sensores utilizados son infrarrojo
reflexivos del tipo CNY70. Para controlar los motore
utilizamos el driver L293B explicado anteriormente.
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Figura 14.Circuito Elctrico del Microbot Seguidor de Lnea
Para fijar los sensores hemos utilizado silicona (o cinta
aislante) por las dos caras, de fcil adquisicin en una
ferretera.
Para poder conformar las seales de los sensores
CNY70 a la entrada del microcontrolador hemos
utilizado puertas inversoras Trigger Schmitt, que
adems, tienen la ventaja de que en el mismo chip
40106 nos encontramos con seis inversores.
Cuando un sensor detecta el fondo blanco, a laentrada de la lnea del PORTA al que est
conectado le llega un "1".
Cuando un sensor est sobre la lnea negra, a laentrada de la lnea del PORTA al que est
conectado le llega un "0".
Al L293B le hemos conectado los dos motores qu
necesita el microbot:
El motor derecho se encuentra conectada los drivers 1 y 2 que estn controlado
por las lneas RB0 y RB1 del microcontrolador.
El motor izquierdo se encuentra conectado los drivers 3 y 4, que a su vez. estn controlado
por las lneas RB2 y RB3 del microcontrolador.
En caso que al montarlo el motor gire en sentid
contrario, lo nico que tiene que hacer es invert
sus conexiones. La fotografa de la figura 1
muestra el aspecto que presenta el microbo
Seguidor de Lnea con el circuito implementado.
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Figura 15.Vista Frontal-Lateral del microbot Seguidor deLnea
3.3. NIVEL DE CONTROL
3.3.1. ESTRATEGIA A SEGUIR PARA UN MICROBOTSEGUIDOR DE LINEA
Antes de realizar un programa hay que establecer la
estrategia que debe seguir el microrobot, ya sea para un
comportamiento como un robot rastreador o para
cualquier otra funcin. De esta manera podremos fijar el
algoritmo de control.
o Algoritmo para seguir el borde de la lneanegra. En este caso, dependiendo de laposicin donde se encuentra el microrobot
sobre la lnea, decidimos seguir uno de los
bordes, en nuestro caso el borde derecho, es
decir, la deteccin de negro-blanco
respectivamente por los sensores colocados
a la derecha y a la izquierda tal y como se
muestra en la figura 16.
Figura 16.Decisiones a tomar segn el algoritmo.
Figura 17.Diagrama de flujo del programa
3.3.2 PROGRAMA DEL RASTREADOR
El programa que realiza el algoritmo del rastreado
sealado anteriormente se muestra a continuacin
est realizado EN lenguaje Ensamblador utilizand
MPLAB, es fcil deducir su funcionamiento si hemo
seguido los razonamientos y se entiende e
organigrama de la figura 17.
Si el microbot presenta problemas en cuanto a l
velocidad de los motores, se deber emplear u
mtodo para controlar dicha velocidad. El sistem
ms utilizado es mediante modulacin por ancho d
Colocacin de
los Sensores
CNY70 en la
parte frontal.
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pulso PWM (Pulse Width Modulatoion) de una seal
cuadrada TTL. Bajo el control de PWM el motor gira a
una velocidad determinada por la media de nivel de
seal cuadrada.
La regulacin PWM proporciona un eficaz mtodo
mediante la utilizacin de una simple seal decontrol. Si se utiliza una seal de estas caractersticas
para atacar la entrada EN1 y EN2 del montaje de la
figura 35 se consigue que el valor medio de la seal
de alimentacin del motor vari, de tal manera que
cuanto ms tiempo estn las lneas RB1 y RB2 en nivel
alto ms deprisa giraran los motores. Lgicamente si
la duracin del impulso a nivel bajo es muy grande los
motores se detendrn.
Se deja como consulta al lector la forma de realizar
una seal PWM, pues esta informacin es muy fcil
de encontrar en el internet o en cualquier libro
dedicado a los microcontroladores, y porque adems
no fue utilizada en este proyecto (todo depende las
cajas reductoras de los motores).
4. CONCLUSIONES
Un dispositivo Trigger Schmitt producetransiciones de salida limpias y rpidas, aunque la
entrada no lo sea. El microcontrolador
PIC16f877A posee la lnea R4 con entrada Trigger
Scmitt que se puede utilizar para este fin de
necesidad de intercalar un 40106.
El problema de realizar este tipo de circuitos queinvolucra un microrobot fue la cada de tensin
real que hay en los transistores y que habr que
compensarla con la tensin de alimentacin. Para
evitar estos problemas se utiliz circuito
integrado como el LM293B.
El algoritmo recomendable es aquel que sigue elborde de la lnea porque si se hubiera tomado el
algoritmo para seguir el centro de la lnea negra
no es lo suficientemente bueno, puesto que el
seguimiento de la lnea depende de la
imprecisin del camino seguido por el microbot,
es decir, depende de la anchura de la pista. Esto
puede ocasionar retrasos en el recorrido,
cabeceos no deseados o incluso que llegue
perderse.
Se diseo un sistema de bajo costo para lindustria. El diseo de este proyecto muestra un
gran flexibilidad para cualquier tipo de aplicaci
ya sea industrial o de investigacin.
5. BIBLIOGRAFIA
Enrique Palacio Municio, Fernando RemirDomnguez, Lucas Lpez Pre
Microcontrolador PIC16F84 Desarrollo d
Proyectos, Alfaomega, 2 Edicin, Mxico, 2006
http://www.elalejandre.net/Arquitectura/Sg16F77A.pdf
http://www.uco.es/~i02alruj/Microrobotica.htm