El sistema desarrollado en esta tesis consiste de un móvil que se desplaza en dirección lineal hacia delante y hacia atrás por medio de un sistema mecánico de engranes acoplado al eje de las ruedas traseras y un motor a pasos (motor 1), en la parte superior de la estructura del móvil se encuentra un segundo motor a pasos (motor 2) en cuyo eje de rotación tiene acoplada una base que soporta a un transductor ultrasónico con un eje de rotación de 360°. Con este transductor ultrasónico se evalúa la distancia a los objetos alrededor de la trayectoria del móvil y con la información obtenida por el sistema se genera una representación de las distancias de los objetos detectados en una interfaz gráfica de usuario (IGU) programada en una PC. El sistema de motores y de manipulación del transductor ultrasónico se controla a través del puerto paralelo de la PC. Se diseñó un sistema auxiliar de movimiento del motor de avance del móvil independiente de las señales de control de la PC con el fin de tener un parámetro de evaluación alterno. El sistema está constituido de cuatro partes, las cuales se describen a continuación:
• El transductor ultrasónico que es el elemento de percepción de los objetos alrededor de la trayectoria del móvil (Hardware).
• El móvil que desplaza al transductor sobre la trayectoria en la cual se realizan las pruebas (Hardware).
• La electrónica desarrollada para el control de los motores a pasos, el funcionamiento del transductor ultrasónico, el acoplamiento de señales del puerto paralelo y la regulación del voltaje de alimentación (Hardware).
• El software desarrollado donde el usuario realiza el control de los movimientos del móvil, del transductor y se presentan los resultados (Software).
2.1. Diseño del hardware.
La palabra hardware se relaciona con la parte física de cualquier sistema ya sea mecánica o electrónica, en este proyecto se emplearon motores a pasos bipolares y engranes de marca EPSON para proporcionar los movimientos al robot móvil, cada motor tiene un consumo de 1 A y sus bobinas se polarizan con 5 V, su número de pasos es de 100 en operación de paso completo y de 200 en medio paso, estas características permiten diseñar la
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electrónica para que utilice 5 V en todos los circuitos logrando compatibilidad con lógica TTL. Para la alimentación del sistema se desarrolló un sistema de regulación de voltaje a 5 V el cual proporciona la alimentación para todos los circuitos utilizados. Mediante el puerto paralelo se envían las señales de control de los motores y las señales para el funcionamiento del transductor; para la protección y acoplamiento del puerto se utilizan “buffers”. El sistema auxiliar de movimiento sólo actúa sobre el motor de avance del móvil y trabaja de forma independiente a las señales del puerto paralelo de la PC.
El empleo de motores a pasos permite conocer de manera exacta las distancias recorridas por el móvil y el ángulo de posición del transductor, por lo que con la implementación realizada se logra representar adecuadamente el posicionamiento del sistema dentro de una interfaz gráfica de usuario en una PC, la figura 2.1 muestra el diagrama a bloques del hardware desarrollado.
PC Puerto paralelo Fuente de alimentación Regulación del voltaje Acoplamiento del puerto Control de motores Transductor ultrasónico Motor de giro del transductor Sistema de movimiento auxiliar Motor de avance del móvil
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2.2.1. Acondicionamiento mecánico del móvil.
El móvil empleado en la realización del sistema es originalmente un carro de juguete, con chasis de plástico y con un sistema de fricción en las ruedas traseras que al ser accionado le proporciona un desplazamiento; este sistema se retiró del vehículo y se sustituyó por un sistema de avance por medio de un motor a pasos acoplado a un engrane reductor de par, el cual le proporciona una velocidad de giro menor, pero mayor potencia que la proporcionada por el eje del motor de manera directa. Un segundo motor es colocado sobre la parte superior del móvil para proporcionar un movimiento circular a una base estándar donde se posiciona un transductor ultrasónico.
En la figura 2.2 se muestra la estructura original del móvil utilizado sin ninguna adaptación, el chasis del móvil se dejó en su forma original y únicamente se hicieron las adaptaciones correspondientes para la colocación de los motores.
Figura 2.2. Vista superior del móvil utilizado.
Se emplearon dos engranes de plástico para el acoplamiento entre el eje de las ruedas y el motor de avance, el primero se encuentra fijo al eje de las ruedas y el segundo está colocado sobre el eje del motor, juntos proporcionan el movimiento del móvil. En la figura 2.3 se muestra la adaptación realizada al acoplar el eje de las ruedas con el engrane de avance, también se observan unas placas de circuitos impresos y una bocina del sistema original del móvil, todo fue retirado.
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Engrane de avance
Figura 2.3.Acoplamiento del eje de las ruedas con el engrane de avance
El ancho del orificio del engrane es de un diámetro mayor que el eje de las ruedas del móvil, por tal motivo se construyó una pieza de ajuste que permite acoplar ambas piezas para evitar algún desbalance. La pieza se realizó en latón y fue colocada a presión entre el eje y el engrane. La caja de plástico donde originalmente se encontraba el mecanismo de fricción no fue retirada y se decidió dejarla para proteger el engrane de avance. En la figura 2.4 se observa la pieza de latón colocada entre el engrane y el eje de las ruedas, se observan las tres piezas ya colocadas en su posición final.
Pieza de latón
Figura 2.4. Engrane de avance en su posición final.
La estructura de plástico del móvil no permite la colocación de piezas pesadas como son los motores empleados, es por esto que para ubicar al motor de avance en el chasis del movil se contruyó un refuerzo de aluminio que permite sostener el peso del motor, este se diseñó de la misma forma que tiene la parte interna de la salpicadera trasera del móvil, en la
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figura 2.5 se muestra el soporte construido.
Figura 2.5. Pieza de refuerzo para el soporte del motor de avance.
Una vez fijado el soporte se procede a colocar el motor. El engrane del eje del motor queda acoplado al engrane del eje de las ruedas, como se observa en la figura 2.6.
Figura 2.6.Motor acoplado con el engrane de avance.
Ya colocado el motor se verificó que no hubiera problemas de alineación para evitar el barrido en los engranes o desacoplamiento para diferentes velocidades de funcionamiento. Hecho esto se procedió a colocar varillas de sujeción entre ambos lados del móvil para dejar al sistema totalmente fijo, la ubicación del motor en el móvil se encuentra en la parte trasera del chasis, en la figura 2.7 se muestra la posición final del motor dentro del móvil.
Soporte
Motor Engrane de
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Figura 2.7.Móvil con el motor de avance.
La carrocería se colocó sobre el chasis, ya con el mecanismo del motor y el engrane instalados. En la parte superior del móvil se instaló sobre su canastilla de plástico el motor de control de movimiento del transductor ultrasónico. Sobre el eje del motor se colocó una base en donde se posiciona el transductor ultrasónico, la figura 2.8 muestra la colocación del motor y la base del transductor en su posición final sobre el móvil.
Base
Motor
Figura 2.8. Motor de control de movimiento del transductor.
La velocidad del móvil está determinada por los pulsos de reloj que son entregados a los motores a pasos, logrando con esto que el eje del motor gire con cierta velocidad de rotación. En el eje del motor se encuentra fijo un engrane con un diámetro de 1.9 cm compuesto de 46 dientes, cada diente tiene una longitud de 1 mm y 1 mm de altura. Este engrane está acoplado a otro que proporciona el movimiento de avance al eje de las ruedas, el
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cual tiene un diámetro de 3.8 cm y 92 dientes de las mismas dimensiones que el anterior. La velocidad del móvil por tanto se logra aumentando o disminuyendo la velocidad angular de rotación del engrane sobre el motor, la relación de velocidades angulares de rotación de los dos engranes se expresa con la siguiente ecuación [19].
B B A AW R W R = (2.1) Donde: A
R y RB = Radios de los respectivos engranes, en m.
A
W y WB = Velocidades de rotación de los engranes, en m/s.
Se escogió una frecuencia de operación de 80 Hz para proporcionar el movimiento del motor acoplado al engrane de avance, y para el motor de movimiento del transductor se eligió una frecuencia de operación de 40 Hz por realizar sólo un giro sobre su eje de 360°; el sistema auxiliar de movimiento proporciona una frecuencia de operación al motor de avance de 69 Hz, en la tabla 2.1 se muestran las velocidades del móvil y del transductor para las frecuencias de operación elegidas para cada motor.
Tabla 2.1.Velocidades de funcionamiento de los efectores finales de movimiento.
Frecuencia de operación del motor 1 Velocidad del móvil
Control por puerto paralelo a 80 Hz 8.19 cm/s Sistema auxiliar de movimiento a 69 Hz 7.06 cm/s
Frecuencia de operación del motor 2 Velocidad del transductor
Control por puerto paralelo a 40 Hz 4.09 cm/s
Las velocidades resultantes se calculan de modo ideal, sin embargo debido al peso en conjunto que representa el móvil y a la superficie donde se desplace, existirá una pequeña degradación en las distancias que recorra el móvil durante su funcionamiento.
2.2.1. Diseño Electrónico.
La electrónica diseñada emplea el puerto paralelo como interfaz de control, permitiendo la habilitación de los sistemas que controlan el movimiento de los motores, la excitación del transductor, la recepción de la señal de eco ultrasónico en forma digital y el control del flujo
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de señales a través del puerto paralelo. Todos los circuitos empleados son alimentados con 5 V para poder tener una compatibilidad con lógica TTL tanto en el puerto de la computadora como en el voltaje de alimentación de los motores. El hardware desarrollado se diseñó de tal manera que los circuitos principales, la fase de potencia de los motores y los circuitos del sistema auxiliar de movimiento únicamente se activen cuando son requeridos, esto se logra mandando señales de control a través del puerto paralelo para habilitar los circuitos específicos, logrando con esto disminuir el consumo de potencia del sistema y de cada motor habilitándolos sólo durante cada paso. La electrónica desarrollada se divide en los cuatro sistemas siguientes:
• Sistema de regulación del voltaje de alimentación. • Sistema de control de los motores a pasos.
• Sistema de acoplamiento con el puerto paralelo. • Sistema auxiliar de movimiento.
Estos sistemas se colocaron en dos placas de circuitos impresos, la primera contiene el sistema de regulación de voltaje de alimentación y el sistema de control de los motores; en la segunda placa se encuentran el sistema de acoplamiento de señales del puerto paralelo y de movimiento auxiliar del móvil.
Sistema de regulación del voltaje de alimentación.
El sistema de regulación del voltaje de alimentación utiliza un circuito integrado MC7805 que funciona como un regulador de voltaje [20] y proporciona una salida estable de 5 V. Este circuito integrado soporta una demanda de corriente máxima de 1 A, en la figura 2.9 se muestran el diagrama y la imagen del circuito.
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En la entrada de las conexiones de alimentación del sistema se colocan dos capacitores con valores de 1 μF y 0.1 μF que funcionan como filtros para eliminar los efectos de los ruidos externos dentro del sistema. El funcionamiento del MC7805 requiere dos capacitores de control [20], el primero se coloca entre la terminal de entrada y tierra con un valor de 0.33 μF, sirve como acoplador cuando se conecta cerca de la fuente de alimentación; el segundo se conecta entre la terminal de salida y tierra con un valor de 0.01 μF, este capacitor limita el ancho de banda del ruido en alta frecuencia, el voltaje de salida de la etapa de regulación de voltaje alimenta a todos los circuitos del sistema.
Un interruptor general y un led indicador de estado (encendido/apagado) se colocan entre la alimentación externa y la etapa de regulación, la figura 2.10 muestra la configuración de los componentes de esta etapa.
Figura 2.10. Sistema de regulación del voltaje de alimentación.
Sistema de control de los motores a pasos.
El control de un motor a pasos bipolar requiere una fase de potencia que proporcione la demanda de corriente para la manipulación de sus bobinas [21]. En el sistema desarrollado esta etapa la constituye el circuito integrado L298 el cual tiene dos puentes H [22], este circuito está diseñado para aceptar niveles lógicos TTL estándares y manejar las cargas inductivas en corriente directa de las bobinas del motor a pasos, soporta una demanda de corriente máxima de 4 A lo que permite manejar la demanda de 1 A en cada motor para efectuar cada paso, en la figura 2.11 se muestra el diagrama del circuito y su imagen.
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Figura 2.11.Circuito integrado L298.
En la terminal VS se proporciona el voltaje de alimentación general del circuito y en la terminal VSS el voltaje necesario de los bloques lógicos internos del circuito, ambas terminales obtienen su voltaje de la etapa de regulación. El circuito tiene cuatro entradas TTL que controlan la secuencia de corriente proporcionada por cada puente H (IN1, IN2 para el puente A y IN3, IN4 para el puente B) hacia las bobinas de cada motor y cuatro salidas TTL (OUT1, OUT2, para el puente A y OUT3, OUT4 para el puente B) que son las terminales de salida de los puentes H, estas terminales se conectan directamente a las bobinas del motor. Las terminales ISEN A e ISEN B son las referencias a tierra de cada puente H. Una característica importante de este circuito es que contiene las terminales de control EN A y EN B que habilitan o deshabilitan cada uno de los puentes H, estas terminales trabajan de forma independiente a las señales de entrada, en la tabla 2.2 se muestran las funciones para cada terminal.
Tabla 2.2. Terminales del circuito L298.
Terminales Función
VS Voltaje de Alimentación VSS Voltaje de funcionamiento IN1, IN2, IN3, IN4 Entradas
OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 Salidas
ISEN A, ISEN B Referencias a Tierra EN A, EN B Señales de Habilitación
GND Tierra Para acoplar las bobinas al circuito se requiere un puente de diodos externo que sirve para manejar las cargas inductivas de las bobinas de los motores, evitando corrientes de retorno cuando existe un cambio de estado lógico en las entradas [21]. En el diseño se utilizan diodos de conmutación rápida IN4001 los cuales permiten el manejo de 1 A de corriente
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requerido por las bobinas de los motores [23], en la figura 2.12 se muestran las conexiones del circuito.
Figura 2.12. Conexiones de operación del L298.
Para generar la secuencia lógica de señales de control de las bobinas de un motor a pasos requerida por el circuito L298 se utiliza el circuito integrado MC3479 [24]. Este circuito es un “driver” diseñado para manejar motores a pasos de dos fases en modo bipolar, sus terminales son compatibles con lógica TTL, en la figura 2.13 se muestra el diagrama del circuito.
Figura 2.13. Circuito integrado MC3479.
El MC3479 tiene cuatro terminales de entrada, las cuales proporcionan la señal de avance para cada paso (CLK), el sentido de giro del motor (CW/CCW), la elección del modo de operación entre paso completo o medio paso (FULL/HALF) y la elección del control de las salidas para alta o baja impedancia (OIC). Tiene cuatro terminales de salida L1, L2 para la bobina A y L3, L4 para la bobinaB, que entregan la secuencia lógica necesaria para manipular las bobinas a partir de los estados lógicos en las terminales de entrada, las salidas cambian de
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estado con cada flanco de subida en la entrada de reloj, las condiciones de estado de salida dependen del estado previo y del estado lógico presente en las entradas, en el diseño del sistema estas terminales se conectan directamente a las entradas del circuito L298, la tabla 2.3 presenta los estados lógicos de funcionamiento del circuito MC3479 [24].
Tabla 2.3. Estados lógicos del circuito MC3479.
Terminal Estado Bajo Estado Alto
CW/CCW Sentido del reloj Contrario al reloj FULL/HALL Paso completo Medio paso
OIC Alta Impedancia Baja Impedancia CLK Un paso en cada flanco de subida
El voltaje de alimentación del circuito se proporciona por la terminal VM, con la terminal VD seprotegen las salidas de la presencia de picos de voltajes que ocurren cuando las bobinas del motor alternan su estado, funcionando como un supresor de picos, esta terminal se conecta a VM a través de un diodo zener de 3.3 V. La terminal CLK sólo requiere un flanco de subida en su entrada para que la salida genere la secuencia lógica de la siguiente posición del motor, la frecuencia máxima de respuesta del circuito es 50 kHz [24] lo que permite funcionar a los motores en forma estable en su intervalo de frecuencia de operación máximo.
El estado lógico en la terminal FULL/HALL determina el modo de operación del motor que puede ser en paso completo (estado alto) o medio paso (estado bajo). La terminal OIC
únicamente funciona en el modo de operación de medio paso, controla el estado de impedancia de las salidas, cuando se encuentra en estado bajo las salidas están en alta impedancia y cuando se encuentra en estado alto las salidas se colocan en baja impedancia, en el diseño del sistema esta terminal no se utiliza y se deja sin conexión.
Las salidas del circuito se controlan con transistores, la terminal PHA coloca las salidas del “driver” en modo de colector abierto para que puedan ser utilizadas, se coloca una resistencia de 2.2 kΩ entre esta terminal y el voltaje de alimentación del circuito.
La terminal BLAS/SET determina la corriente máxima de trabajo de las salidas del circuito limitando con esto el consumo de potencia, esta corriente está en función de la
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corriente de base que circula en los transistores de carga internos conectados a esta terminal, la corriente fluye a través de una resistencia de carga conectada a tierra, esta terminal tiene un voltaje de operación interno de 0.7 V por debajo del valor de , el valor de corriente óptimo para el funcionamiento del circuito L298 es de 75 μA [22], conociendo estos datos el valor requerido de se determina con la ecuación 2.2 [24], en la figura 2.14 se muestran las conexiones del circuito.
BS I B R M V BS I B R Ω ≈ Ω = − = − = 57.33k 56k A 75 V 7 . 0 V 5 V 7 . 0 μ BS M B I V R (2.2) Donde: VM = Voltaje de alimentación, en V. RB = Resistencia de carga, en Ω. IBS= Corriente de salida, en A.
Figura 2.14. Conexiones de operación del MC3479
De los dos motores que utiliza el sistema desarrollado el primero realiza el desplazamiento del móvil (motor 1), por lo que se configura en el modo de operación de paso