INSTITUTO POLITÈCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÌA MECÀNICA Y ELÈCTRICA
INGENIERIA EN COMUNICACIÓN Y ELECTRONICA
Control de Velocidad y Direccionamiento de un Móvil todo Terreno
TESIS QUE PRESENTA
Bonilla Reyes Tania Xarení
Pulido Ortega Edgar Iván
Proyecto Para Obtener el Titulo de Ingeniero en
Comunicaciones y Electrónica
EN LA ESPECIALIDAD DE
CONTROL
Asesor Técnico: Dr. Juan Eduardo Velázquez Velázquez Dr. Julio Cesar Tovar Rodríguez
2 INDICE
CAPITULO 1.
Generalidades
1.1.- Objetivo General………4
1.2.- Justificación………...4
1.3.- Motivación……….4
1.4.- Introducción………...4
1.5.- Marco Teórico………5
1.6.- Conceptos y Definiciones Básicos………...13
CAPITULO 2. Descripción de Motor de Corriente Continua y Modelo Matemático 2.1.- Introducción a los Motores de DC………..14
2.2.- Principio de funcionamiento de Motor de DC………15
2.3.- Modelo Matemático del Motor de DC………17
2.4.- Simulación de Función de Transferencia respectiva al motor con MATLAB....19
CAPITULO 3. Lógica Difusa 3.1 Introducción a Lógica Difusa………..22
3.2 ¿Por qué lógica Difusa?...22
3.3 Conceptos de Lógica Difusa………23
3.4 Diagrama Canónico de Lógica Difusa……….23
3.5 Control Difuso en Sistemas de Retroalimentación………..24
3.6 Control Difuso Utilizado (Proporcional)……….25
CAPITULO 4. Robótica Móvil 4.1.- Introducción a la Robótica y Robótica Móvil………..26
4.2.- Clasificación de Móviles todo Terreno………27
4.3.- ¿Por qué el Modelo Seleccionado?...28
4.4.- Simulación de Móvil mediante Solid Works………...29
4.5.- Elaboración de Móvil………...33
3 CAPITULO 5.
Etapa de Control (Implementación de Algoritmos de Control)
5.1.- Algoritmo de direccionamiento………...36
5.2.- Algoritmo de Velocidad………..37
CAPITULO 6. Desarrollo 6.1.- Etapa de Comunicación………..39
6.2.- Etapa de Control (Componente utilizado)………..42
6.3.- Etapa de Potencia………44
6.4.- Sensores………..44
6.6.- Material General……….47
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1.1. Objetivo General.
ELABORAR UN MÒVIL CAPAZ DE DESPLAZARSE SOBRE CUALQUIER TIPO DE TERRENO PARA REALIZAR LABORES DE EXPLORACIÒN EN ZONAS DE BASTANTE RIESGO Y DIFÌCIL ACCESO PARA EL SER HUMANO.
1.2. Justificación.
El móvil surge de la necesidad de tener contacto con diversas variables en un momento dado, en las que las circunstancias no favorezcan la intervención de algún ser humano para ejercer una tarea en específico.
1.3.- Motivación.
Poder fusionar conocimientos de Control a la parte mecánica de un móvil, tomando en cuenta la dependencia de otras ramas de la ingeniería, es decir no solo limitarnos a la palabra control.
1.4. Introducción.
En la actualidad existen diversas actividades que implican un alto grado de riesgo (por ejemplo: exploración de minas, desactivación de bombas, exploración en terrenos no conocidos, etc); Al establecer esta problemática se genera una necesidad que debemos resolver; esta necesidad nos obliga a encontrar una solución ya que por medio de el control de un motor de D.C. apoyado en una estructura mecánica exploradora podemos llegar a reemplazar al factor humano por este tipo de mecanismo, el cual llamaremos móvil todo terreno.
Para este problema podemos encontrar que la robótica a jugando un papel importante al suplantar humanos por robots para ello hay que conocer las bases de la robótica para solo extraer las partes que nos sirven; robótica es una rama de la tecnología, que estudia el diseño y construcción de máquinas capaces de desempeñar tareas repetitivas o peligrosas para el ser humano. Las ciencias y tecnologías de las que deriva podrían ser: el álgebra, los autómatas programables, las máquinas de estados, la mecánica, la electrónica y la informática.
Conforme las plantas modernas con muchas entradas y salidas se vuelven más y más complejas, la descripción de un sistema de control moderno requiere una gran cantidad de ecuaciones. La teoría de control clásica que trata de los sistemas con una entrada y una salida, pierde su solidez ante sistemas con entradas y salidas múltiples.
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Durante los años comprendidos entre 1960 y 1980, se investigaron a fondo el control óptimo, tanto de sistemas determinísticos como estocásticos, y el control adaptable, meditante el aprendizaje de sistemas complejos.
De 1980 hasta la fecha, los descubrimientos en la teoría de control moderna se centran en el control robusto, el control de H∞y temas asociados.
Ahora que las computadoras digitales se han vuelto más baratas y más compactas, se usan como parte integral de los sistemas de control. Las aplicaciones recientes de la teoría de control moderna incluyen sistemas ajenos a la ingeniería, como los biológicos y los económicos.
1.5.- Marco Teórico
Locomoción
Existe una gran variedad de modos de moverse sobre una superficie sólida; entre los robots, las más comunes son las ruedas, las cadenas y las patas.
Los vehículos de ruedas son, con mucho, los más populares por varias razones prácticas. Los robots con ruedas son más sencillos y más fáciles de construir, la carga que pueden transportar es mayor, relativamente. Tanto los robots basados en cadenas como en patas se pueden considerar más complicados y pesados, generalmente, que los robots de ruedas para una misma carga útil. A esto podemos añadir el que se pueden transformar vehículos de ruedas de radio control para usarlos como bases de robots.
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Para robots que vayan a funcionar en un entorno natural las cadenas son una opción muy buena porque las cadenas permiten al robot superar obstáculos relativamente mayores y son menos susceptibles que las ruedas de sufrir daños por el entorno, como piedras o arena. El principal inconveniente de las cadenas es su ineficacia, puesto que se produce deslizamiento sobre el terreno al avanzar y al girar. Si la navegación se basa en el conocimiento del punto en que se encuentra el robot y el cálculo de posiciones futuras sin error, entonces las cadenas acumulan tal cantidad de error que hace inviable la navegación por este sistema. En mayor o menor medida cualquiera de los sistemas de locomoción contemplados aquí adolece de este problema.
Potencialmente los robots con patas pueden superar con mayor facilidad que los otros los problemas de los terrenos irregulares. A pesar de que hay un gran interés en diseñar este tipo de robots, su construcción plantea numerosos retos. Estos retos se originan principalmente en el gran número de grados de libertad que requieren los sistemas con patas. Cada pata necesita como mínimo un par de motores lo que produce un mayor coste, así como una mayor complejidad y menor fiabilidad. Es más los algoritmos de control se vuelven mucho más complicados por el gran número de movimientos a coordinar, los sistemas de patas son un área de investigación muy activo.
Diseño de ruedas
Existen varios diseños de ruedas para elegir cuando se quiere construir una plataforma móvil sobre ruedas: diferencial, sincronizada, triciclo y de coche.
Diferencial
Tanto desde el punto de vista de la programación como de la construcción, el diseño diferencial es uno de los menos complicados sistemas de locomoción. El robot puede ir recto, girar sobre sí mismo y trazar curvas.
Un problema importante es cómo resolver el equilibrio del robot, hay que buscarle un apoyo adicional a las dos ruedas ya existentes, esto se consigue mediante una o dos ruedas de apoyo añadidas en un diseño triangular o romboidal. El diseño triangular puede no ser suficiente dependiendo de la distribución de pesos del robot, y el romboidal puede provocar inadaptación al terreno si éste es irregular lo que puede exigir alguna clase de suspensión.
Otra consideración a hacer en este diseño es cómo conseguir que el robot se mueva recto, para que el robot se mueva en línea recta sus ruedas tienen que girar a la misma velocidad.
7 Diseño sincronizado
En este diseño todas las ruedas (generalmente tres) son tanto de dirección como motrices, las ruedas están enclavadas de tal forma que siempre apuntan en la misma dirección. Para cambiar de dirección el robot gira simultáneamente todas sus ruedas alrededor de un eje vertical, de modo que la dirección del robot cambia, pero su chasis sigue apuntando en la misma dirección que tenía. Si el robot tiene una parte delantera (es asimétrico) presumiblemente donde se concentran sus sensores, se tendrá que arbitrar un procedimiento para que su cuerpo se oriente en la misma dirección que sus ruedas. El diseño sincronizado supera muchas de las dificultades que plantean el diseño diferencial, en triciclo y de coche, pero a costa de una mayor complejidad mecánica.
Diseño de triciclo y coche
El diseño de coche con sus cuatro ruedas con suspensión proporciona una buena estabilidad, el diseño en triciclo tiene unas prestaciones similares con la ventaja de ser mecánicamente más simple ya que el coche necesita alguna unión entre las ruedas direccionables. En general en estos dos diseños las ruedas direccionables no son motrices, y no es necesario controlar la velocidad de las ruedas para que el robot se mantenga recto. Esta simplificación tiene su precio como veremos en el próximo apartado.
Cinemática
La cinemática del robot trata de cómo se mueve el mismo, dado que la dirección adopta tal y tal ángulo y que cada rueda gira tantas veces, ¿dónde acabará el robot y qué camino tomará?
Los diseños diferencial y sincronizado tienen una ventaja sutil sobre los otros dos tipos, la diferencia estriba en sus cinemáticas. Considere un triciclo, el cual tiene tres grados de libertad cuando se mueve sobre una superficie plana. Es decir, en relación con un sistema global de coordenadas, el robot puede estar en cualquier posición especificado por dos coordenadas x e y, y apuntando en una dirección especificada por una tercera coordenada, el ángulo q . Estos tres grados de libertad (x,y,q ) nos dan la distancia y el ángulo entre el sistema de coordenadas global, y una referencia local en el robot.
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Forma del robot
La forma de un robot puede tener un gran impacto en sus prestaciones, un robot no cilíndrico corre mayor riesgo de quedar atrapado por una disposición desfavorable de obstáculos o de fallar en encontrar un camino en un espacio estrecho o intrincado.
Consideremos dos robots del mismo tamaño uno cilíndrico y el otro cuadrado, ambos encuentran un paso estrecho según se mueven. Un algoritmo sencillo permitirá al robot cilíndrico pasar, el robot choca, gira y lo intenta de nuevo hasta que pasa. Esto es así de simple porque el robot es capaz de girar estando en contacto con el obstáculo.
El robot cuadrado, por el contrario, tiene que retroceder y girar si quiere usar la misma táctica. Por tanto, siempre se requiere un algoritmo más complejo para la navegación de un robot cuadrado que para la de uno cilíndrico. Para entender la razón de esto, tenemos que apelar a un concepto avanzado en robótica conocido como espacio de configuraciones.
Análisis del sistema
Todos los robots son sistemas, es decir, constan de componentes que forman un todo. El sistema robótico se puede analizar de lo general a lo particular utilizando el análisis sistemático. El primer paso es considerar al sistema como una "caja negra", no sabemos qué hay en su interior, pero podemos identificar la entrada y salida del sistema. La entrada genuina al robot está constituida por las órdenes humanas; la salida está formada por diversos tipos de trabajo realizado automáticamente.
La segunda etapa o paso de análisis es mirar dentro de la caja negra donde encontramos los subsistemas o unidades funcionales del robot. Cada unidad funcional realiza una función específica y tiene su propia entrada y salida. Los robots tienen las siguientes unidades funcionales principales:
• Estructura mecánica
• Transmisiones
• Sistema de accionamiento (actuadores)
• Sistema sensorial (sensores)
• Elementos terminales
• Sistema de control (controlador)
• Alimentación
La función del controlador es gobernar el trabajo de los actuadores (los dispositivos que originan el movimiento) y las transmisiones (modificadores del movimiento). La
9 Diseño de un Robot
En general hay cuatro tipos distintos de soluciones para los problemas a los que un robot se enfrenta. Dependiendo de las restricciones del problema, un tipo de solución será más apropiado que otro, pero raramente será un tipo aislado de soluciones quien proporcione el mejor resultado.
• Ingeniería del entorno.
• Cambio de la forma física del robot.
• Cambio del tipo de acciones que el robot lleva a cabo.
• Software de control más sofisticado para dirigir el comportamiento del robot.
Ingeniería del entorno
Los humanos utilizamos este método continuamente para hacernos la vida más fácil. Cuando estamos diseñando un robot hay ciertas características del entorno que podrían simplificar el diseño del mismo. Por ejemplo un robot de limpieza que en vez de trabajar de día trabajara de noche, evitando así el problema de la gente moviéndose por su entorno.
Software de control más sofisticado para dirigir el comportamiento del robot.
Un diseño sencillo puede ser suficiente para realizar la tarea encomendada si el software de control es lo suficientemente completo como para resolver todos los problemas a los que se enfrente.
Sensores
Percepción
Los humanos no damos, a menudo, importancia al funcionamiento de nuestros sistemas sensoriales. Vemos una taza sobre una mesa, la cogemos automáticamente y no pensamos en ello, al menos no somos conscientes de pensar mucho en ello. De hecho, el conseguir beber de una taza requiere una compleja interacción de sentidos, interpretación, conocimiento y coordinación, que, en la actualidad, entendemos mínimamente.
Por tanto, infundir a un robot prestaciones de tipo humano resulta ser tremendamente difícil. Los juegos de ordenador que derrotan a los campeones de ajedrez son comunes en nuestros días, mientras que un programa que reconozca una silla, por ejemplo, en una escena arbitraria aún no existe. El "ordenador paralelo" que todos tenemos en nuestra cabeza dedica grandes cantidades de materia gris a los problemas de la percepción y la manipulación.
Transducción / Entendimiento
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puede leer. Esto se podría hacer mediante un convertidor analógico – digital (A/D) en el microprocesador, cargando el valor de un puerto de entrada – salida (I/O), o usando una interrupción externa. Siempre se necesita que haya alguna interfaz electrónica entre el sensor y el microprocesador para acondicionar o amplificar la señal.
Niveles de abstracción
Con el software podemos crear diferentes núcleos de abstracción, para que nos ayude como programadores a pensar acerca de los datos de los sensores de diferentes modos. En el nivel más alto, el sistema inteligente, para parecer “listo” necesita tener algunas variables para hacer malabares con ellas: ¿Está esta habitación a oscuras? ¿Acaba de entrar alguien? ¿Hay una pared a la izquierda?.
Sin embargo, las únicas cuestiones que el robot es capaz de plantearse son tales como: ¿Ha caído la resistencia en el fotosensor? ¿Ha subido la tensión en el sensor piroeléctrico conectado al cuarto canal A/D por encima del umbral? ¿Ha cambiado el nivel en la salida del detector de proximidad infrarrojo?
No obstante, es posible infundir muchas capacidades en un robot móvil. El Robot II, construido en el Naval Ocean Systems Center, sirve de centinela móvil (patrullando un edificio, evitando obstáculos, observando intrusos) y es capaz de encontrar su puesto de recarga para enchufarse.
Este robot contiene un gran número de sensores, tales como detectores de infrarrojos de proximidad para evitar obstáculos, sensores para localización, sensores de microondas para detectar movimientos, sensores piroeléctricos para detectar intrusos y temperatura, y sensores de terremotos e inclinaciones para identificar desastres.
Otro robot móvil cubierto de sensores es Attila, del tamaño de una caja de zapatos, con seis patas para explorar en todo terreno. Los sensores de las patas se emplean para detectar obstáculos y pasar por encima de ellos. Lleva galgas extensométricas a lo largo de sus espinillas para detectar colisiones, potenciómetros en los motores de sus articulaciones para la calibración de su posición y sensores de contacto en sus pies para asegurar pisadas estables. Sobre el chasis están montados varios sensores. “Bigotes” en el frente para la detección de colisiones, un sensor de proximidad de largo alcance mide el espacio libre y una pequeña cámara recoge imágenes.
Interfaz con los sensores
Nos centraremos en varios tipos de sensores simples y en cómo realizar la interfaz entre ellos y el microprocesador. Veremos varios ejemplos de interfaces de sensores y de controladores de sensores (fotosensores, interruptores de impacto, micrófonos, sensores piroeléctrico de personas, sensores de proximidad de infrarrojo cercano, sonars, sensores de flexión, giróscopos, acelerómetros, sensores de fuerza, brújulas y cámaras) se pueden comprar a bajo coste para interfaz en un pequeño robot móvil.
Controladores software
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trozos de código se escriben a menudo en lenguaje ensamblador y se conocen como
software drivers o controladores software.
Los controladores software son fragmentos de código que proporcionan una interfaz bien definida entre un dispositivo hardware y un programa que necesita utilizar a ese dispositivo.
Los controladores software tratan con el interfaz hardware – software. Estas rutinas podrían constantemente consultar un contacto A/D, esperando el disparo de un sensor piroeléctrico, o podrían estar implementadas como manejadores de interrupciones que solo son llamadas cuando la señal devuelta, por ejemplo, por un sensor infrarrojo de proximidad de nivel alto.
El código del controlador de sensores podría tomar estos datos y almacenarlos en una posición de memoria. Estos datos entonces se convierten en alimento para un nivel de abstracción más alto. Por ejemplo, otra parte del sistema de inteligencia podría usar esa señal o variable para disparar un comportamiento o quizás lo combine con otra información en un tipo de sensor virtual. No olvidar los diferentes niveles de abstracción, cuando los sensores raramente alcancen el grado de perfección que nos gustaría.
Sensibilidad y Alcance
Hay dos conceptos importantes a entender cuando se analiza la sensibilidad y el alcance de cualquier tipo de sensor. La sensibilidad es una medida de hasta qué grado la salida de la señal cambia a la vez que las cantidades de las magnitudes medidas. Llamemos a la salida del sensor r y a la cantidad física medida x. Por ejemplo, un fotodetector podría tener una tensión de salida de, digamos, 0.87 V (r) cuando es bombardeado por 2.3·1013 fotones por segundo (x). La sensibilidad del sensor se define como:
Dr / r = S · Dx / x
Un pequeño cambio en la cantidad medida, dx, se relaciona con un pequeño cambio en la repuesta del sensor, dr, mediante la sensibilidad S. Un dispositivo sensor reacciona a la variación de niveles de algunos estímulos físicos produciendo una tensión característica de salida (o corriente, o frecuencia, etc.). Casi siempre, la circuitería asociada al sensor después amplifica o transforma esta tensión y la introduce en un convertidor analógico-digital conectado a un microprocesador. El convertidor A/D es sensible sólo a rangos limitados de tensiones, frecuentemente 0 á 5 V. En el caso del convertidor A/D de 8-bits, este voltaje se convierte en 256 (28) niveles discretos. Esta es por tanto la ventana del microprocesador al mundo.
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los ángulos de las articulaciones con las lecturas A/D, como la que proporciona un sencillo circuito de potenciómetro es adecuada.
El caso de un fotodiodo es más complicada, ya que el nivel de iluminación que produce la luz solar es varios órdenes de magnitud mayor que el que ofrece la luz artificial. A nosotros nos gustaría que nuestro robot fuera capaz de sentir las variaciones de luz tanto si está en una habitación luminosa como si está en una habitación oscura.
En una escala de unidades de iluminación arbitrarias, supongamos que la iluminación típica en una habitación luminosa varía, digamos, de 10 á 1000 unidades, mientras que en una habitación oscura es de 0.1 á 10. Si escogemos componentes para el circuito de nuestro sensor de modo que los niveles de iluminación entre 0.1 y 1000 se correspondan linealmente con los valores A/D de 0 á 255, entonces el robot tendrá una buena sensibilidad en una habitación luminosa; sin embargo, cualquier nivel de iluminación por debajo de 2 unidades se corresponderá con 0 unidades A/D. Por ello, el robot será prácticamente incapaz de detectar cualquier diferencia de nivel de iluminación en una habitación pobremente iluminada.
Una manera de corregir este problema es mediante la correspondencia logarítmica. Un amplificador logarítmico produce una tensión proporcional al logaritmo de la salida del fotodiodo. Este circuito tiene la propiedad de incrementar la sensibilidad a pequeños cambios de intensidad de luz cuando el robot está en una habitación oscura y de disminuirla en habitaciones muy iluminadas. Así el robot puede trabajar en un rango mucho mayor de niveles de iluminación.
En general, la salida de un sensor no será ni lineal ni logarítmica en sentido estricto, esto, sin embargo, no representa un problema en la medida en la que el que construye un robot tenga una idea clara de la respuesta del sensor y de las condiciones bajo las que el robot tiene que trabajar.
Sensores de Luz
Los sensores de luz visible y de infrarrojos cubren un amplio espectro de complejidad. Las fotocélulas se encuentran entre los más sencillos de todos los sensores para hacer su interfaz con el microprocesador, y la interpretación de la salida de una fotocélula es directa. Las cámaras de vídeo, por el contrario, requieren una buena cantidad de circuitería especializada para hacer que sus salidas sean compatibles con un microprocesador, además las complejas imágenes que las cámaras graban son todo menos fáciles de interpretar.
Fotorresistencias
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Los fototransistores dan mayor sensibilidad a la luz que las fotorresistencias. Un fototransistor tiene una interfaz con un microprocesador casi tan fácil como el de una fotorresistencia.
Los fotodiodos tienen una gran sensibilidad, producen una salida lineal en un amplio rango de niveles de luz, y responden con rapidez a los cambios de iluminación. Esto les hace útiles en los sistemas de comunicación para detectar luces moduladas; el mando a distancia de casi todos los TV, equipos estéreos y reproductores de CD los emplean. La salida de un fotodiodo requiere, no obstante, amplificación antes de poder ser empleada por un microprocesador.
Detectores de proximidad infrarrojos
Los comportamientos de seguimiento son fáciles de implementar en un robot móvil, aunque los sensores de infrarrojos no nos dan la distancia real a un objeto, sí nos dicen si está o no presente en su cono de detección. Este tipo de sensores tiene un ancho de haz mucho más estrecho que el de los sonar. El seguimiento de paredes empleando dos detectores es muy corriente. Incluso es posible seguir una pared usando sólo un detector moviéndose diagonalmente como hacen los veleros respecto del viento. En este caso el robot tiene que girar alejándose de la pared cuando detecta algo y girar acercándose a la pared cuando no detecta nada.
1.6. Conceptos y Definiciones Básicos
Control
El control automático estudia los modelos matemáticos de sistemas dinámicos, sus propiedades y el cómo modificar éstas mediante el uso de otro sistema dinámico llamado controlador. El ser humano utiliza constantemente sistemas de control en su vida cotidiana, como en su vista, en su caminar, al conducir un automóvil, al regular la temperatura de su cuerpo y otros.
Los controladores son sistemas eléctricos o electrónicos que están permanentemente capturando señales de estado del sistema bajo su control y que al detectar una desviación de los parámetros pre-establecidos del funcionamiento normal del sistema, actúan mediante sensores controladores y actuadores, para llevar al sistema de vuelta a sus condiciones operacionales normales de funcionamiento.
Señal de salida: es la variable que se desea controlar (posición, velocidad, presión, temperatura, etc.). También se denomina variable controlada.
Señal de referencia: es el valor que se desea que alcance la señal de salida.
Error: es la diferencia entre la señal de referencia y la señal de salida real.
Señal de control: es la señal que produce el controlador para modificar la variable controlada de tal forma que se disminuya, o elimine, el error.
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Señal digital: es una señal que solo toma valores de 1 y 0. El PC solo envía y/o recibe señales digitales.
Conversor análogo/digital: es un dispositivo que convierte una señal analógica en una señal digital (1 y 0).
Conversor digital/análogo: es un dispositivo que convierte una señal digital en una señal analógica (corriente o voltaje).
Planta: es el elemento físico que se desea controlar. Planta puede ser: un motor, un horno, un sistema de disparo, un sistema de navegación, un tanque de combustible, etc.
Proceso: operación que conduce a un resultado determinado.
Sistema: consiste en un conjunto de elementos que actúan coordinadamente para realizar un objetivo determinado.
Perturbación: es una señal que tiende a afectar la salida del sistema, desviándola del valor deseado.
Sensor: es un dispositivo que convierte el valor de una magnitud física (presión, flujo, temperatura, etc.) en una señal eléctrica codificada ya sea en forma analógica o digital. También es llamado transductor. Los sensores, o transductores, analógicos envían, por lo regular, señales normalizadas de 0 a 5 voltios, 0 a 10 voltios o 4 a 20 mA.
Sistema de control en lazo cerrado: es aquel en el cual continuamente se está monitoreando la señal de salida para compararla con la señal de referencia y calcular la señal de error, la cual a su vez es aplicada al controlador para generar la señal de control y tratar de llevar la señal de salida al valor deseado. También es llamado control realimentado.
Sistema de control en lazo abierto: en estos sistemas de control la señal de salida no es monitoreada para generar una señal de control
CAPITULO 2.
Descripción de Motor de Corriente Continua y Modelo Matemático
2.1. Introducción a los Motores de DC
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio. En la actualidad existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no producen movimiento rotatorio, sino que con algunas modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como motores lineales.
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del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro motores, etc.)
La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.
Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante dos escobillas.
2.2.- Principio de funcionamiento de Motor de DC
Según la Ley de Lorentz, cuando un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha, con módulo
• F: Fuerza en newtons
• I: Intensidad que recorre el conductor en amperios
• l: Longitud del conductor en metros lineales
• B: Inducción en teslas
Si el conductor está colocado fuera del eje de giro del rotor, la fuerza producirá un momento que hará que el rotor gire.
El rotor no solo tiene un conductor, sino varios repartidos por la periferia. A medida que gira, la corriente se activa en el conductor apropiado.
Normalmente se aplica una corriente con sentido contrario en el extremo opuesto del rotor, para compensar la fuerza neta y aumentar el momento.
Fuerza contraelectromotriz inducida en un motor
Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia del corte de las líneas de fuerza, es el efecto generador de pines.
La polaridad de la tensión en los generadores es inversa a la aplicada en bornes del motor.
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Reversibilidad
Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos esencialmente por los mismos elementos, diferenciándose únicamente en la forma de utilización.
Por reversibilidad entre el motor y el generador se entiende que si se hace girar al rotor, se produce en el devanado inducido una fuerza electromotriz capaz de transformarse en energía en el circuito de carga.
En cambio, si se aplica una tensión continua al devanado inducido del generador a través del colector de delgas, el comportamiento de la máquina ahora es de motor, capaz de transformar la fuerza contraelectromotriz en energía mecánica.
En ambos casos el inducido está sometido a la acción del campo inductor principal. y es estable...
Motor DC
Motor de imanes permanentes
Los motores de imanes permanentes son motores eléctricos cuyo funcionamiento se basa en imanes permanentes (motores de IP). Existen diversos tipos, siendo los más conocidos:
• Motores de corriente continua de IP
• Motores de corriente alterna de IP
• Motores paso a paso de IP
Uno de los de mayor aplicación es el motor sincrónico de imán permanente (en inglés
Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM).
Motor Sincrónico de Imán Permanente
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La construcción de los rotores de los servomotores sincrónicos de imán permanente pueden adoptar una forma cilíndrica con un bajo diámetro y gran longitud (cilinder
rotor) llamados de flujo radial, o pueden tener un rotor en forma de disco más liviano
rotor de disco (disk rotor), también llamadas máquinas de flujo axial, resultando así en ambos casos un bajo momento de inercia y una constante de tiempo mecánica baja. Por otra parte, para aplicaciones industriales con arranque de línea o mediante arrancadores de voltaje reducido, los motores poseen un damper que protege los imanes de la des-magnetización durante los transitorios asociados en el arranque, y además amortigua las oscilaciones pendulares.
En aplicaciones en que el motor es operado electrónicamente desde un inverter, no es necesario el devanado amortiguador para el arranque pues este lo realiza el control electrónico, y además el devanado amortiguador (damper) produce pérdidas de energía adicionales debido a las forma de onda no senoidales.
Se analizará el caso de estator trifásico, el cual es similar a uno de una máquina sincrónica trifásica clásica, debiendo destacarse dos tipos de PMSM según el tipo de rotor:
• Imanes montados en la superficie del rotor (Surface-mounted magnets)
• Imanes insertos en el rotor (Buried Magnets)
2.3.- Modelo Matemático del Motor de DC
Un Modelo Simple de un Motor de corriente continúa la Conducción de una Carga De inercia.
18 La Derivación Matemática
El momento de rotación visto en el eje del motor es proporcional a la corriente yo inducida por el voltaje aplicado,
Donde el Kilómetro, la armadura constante, es relacionado con las propiedades físicas del motor, como la fuerza magnética de campaña, el número de las vueltas de cable alrededor del rollo de revisor, etcétera. La fuerza trasera (inducida) electromotor, es un voltaje proporcional a la tarifa angular vista en el eje,
Donde el Kb, el emf constante, también depende de las ciertas propiedades físicas del motor. La parte mecánica de las ecuaciones de motor es sacada usando la ley de Newton, que declara que la carga de inercia veces de J el derivado de tarifa angular iguala la suma de todos los momentos de rotación sobre el eje de motor. El resultado es esta ecuación,
donde está una aproximación lineal para la fricción viscosa. Finalmente, la parte eléctrica de las ecuaciones de motor puede ser descrita por
o, solucionando para el voltaje aplicado y substitución por emf trasero,
Esta secuencia de ecuaciones conduce a un juego de dos ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento del motor, el primero para la corriente inducida,
y el segundo para la tarifa resultante angular,
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dinámico. La corriente i y la tarifa angular es los dos estados del sistema. El voltaje aplicado, es la entrada al sistema, y la velocidad angular es la salida.
Representación Estatal espacial del Ejemplo de Motor de corriente continua
Representación Estatal espacial del Ejemplo de Motor de corriente continúa.
2.4. Simulación de Función de Transferencia respectiva al motor con MATLAB
Se establecen los parámetros del motor de DC a utilizar.
R= 2.0 % Ohms L= 0.5 % Henrys
Km = .015 % torque constant Kb = .015 % emf constant Kf = 0.2 % Nms
J= 0.02 % kg.m^2/s^2
Se introduce la representación en Espacio de Estado
A = [-R/L -Kb/L; Km/J -Kf/J] B = [1/L; 0];
C = [0 1]; D = [0];
sys_dc = ss(A,B,C,D)
This is the output of the last command.
a =
x1 x2 x1 -4 -0.03 x2 0.75 -10
b =
u1 x1 2 x2 0
c =
20 y1 0 1
d =
u1 y1 0
Adquiriendo function de transferencia
sys_tf = tf(sys_dc)
Transfer function: 1.5
--- s^2 + 14 s + 40.02
Zero/Pole/Gain Representation.
sys_zpk = zpk(sys_dc)
Zero/pole/gain:
1.5 --- (s+4.004) (s+9.996)
Una vez adquirida la función de transferencia en función de los parámetros del motor de DC a utilizar se precede a establecer un control PID.
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Control PID
22 CAPITULO 3.
Lógica Difusa
3.6. Introducción a Lógica Difusa
La lógica borrosa es ampliamente utilizada en el control de la máquina. El término en sí inspira un cierto escepticismo, sonido equivalente a "la mitad de la lógica al horno" o "lógica falsa", pero el "difuso" parte no hace referencia a una falta de rigor en el método, más bien al hecho de que la lógica que puede manejar conceptos difusos - conceptos que no puede ser expresado como "verdadero" o "falso", sino más bien como "parcialmente cierto".
Aunque los algoritmos genéticos y redes neuronales puede realizar tan bien como la lógica difusa en muchos casos, la lógica difusa tiene la ventaja de que la solución del problema puede formularse en términos que los operadores pueden comprender, por lo que su experiencia puede ser utilizado en el diseño del controlador. Esto hace que sea más fácil de mecanizar las tareas que ya se han realizado con éxito por los seres humanos.
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3.7 Concepto de Lógica Difusa
Un sistema de control difuso es un sistema de control basado en lógica difusa - un sistema matemático que analiza los valores de entrada analógica en términos de las variables lógicas que toman valores continuos entre 0 y 1, en contraste con la lógica clásica o digital, que opera en los valores discretos de ya sea 0 y 1 (verdadero y falso)
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CAPITULO 4.
Robótica Móvil
4.1. Introducción a la Robótica y Robótica Móvil
¿Qué es la robótica?
La robótica es una rama de la tecnología, que estudia el diseño y construcción de máquinas capaces de desempeñar tareas repetitivas o peligrosas para el ser humano. Las ciencias y tecnologías de las que deriva podrían ser: el álgebra, los autómatas programables, las máquinas de estados, la mecánica, la electrónica y la informática.
Robótica Móvil
Mientras la gente y la mayoría de los animales se desplaza sobre extremidades, la mayoría de las máquinas móviles utilizan ruedas. La ruedas son más simples de controlar, tienen pocos problemas de estabilidad, usan menos energía por unidad de distancia de movimiento y son más veloces que las extremidades. La estabilidad se mantiene al fijar el centro de gravedad de el vehículo en triangulación de los puntos que tocan tierra. Sin embargo, las ruedas solamente pueden utilizarse sobre terrenos relativamente lisos y sólidos. Si se quiere utilizar el robot en terrenos rugosos las ruedas tienen que tener un tamaño mayor que los obstáculos encontrados.
El arreglo más familiar para las ruedas de un vehículo es el utilizado por los automóviles. Cuatro ruedas son colocadas en las esquinas de un rectángulo. La mayoría de estos vehículos tiene maniobrabilidad limitada debido a que tienen que avanzar para poder dar vuelta. También se requiere de un sistema de suspensión para asegurar que las ruedas estén en contacto con la superficie durante todo el tiempo. Cuando el robot se desplaza en línea recta las cuatro ruedas tienen que girar a la misma velocidad, en cambio al momento de dar vuelta las ruedas interiores giran más lento que las ruedas exteriores.
En un robot móvil, estos requerimientos son alcanzados por un buen diseño mecánico y mediante el control de la velocidad de las ruedas de dirección independiente. Sin embargo las imprecisiones que se presentan para alcanzar una trayectoria definida son causadas por factores mecánicos, deslizamiento de las ruedas, dobleces en los ejes de dirección, y desalineamiento de las ruedas.
- Subsistema Mecánico.
Este subsistema incluye los eslabones, las uniones mecánicas y el módulo que contiene a todo el sistema que permite que las ruedas giren ( ruedas, ejes, coples, baleros).
- Subsistema Eléctrico
Este subsistema incluye los servosistemas ( Drivers ), las interfaces entre los sensores, los drivers y la computadora, así como las fuentes de alimentación.
-Subsistemas de Sensores
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- Subsistemas de Procesos, Planeación y Control
En este subsistema se encuentran el control de los motores y todas las tareas que realiza el prototipo interiormente y exteriormente al interactuar con el medio ambiente.
Para llevar a cabo lo anterior se expande el bus ISA de la tarjeta madre, con lo que se logra optimar las tareas de procesamiento.
4.2. Clasificación de Móviles todo Terreno
Los robots se clasifican en:
1.- Robots Play-back, los cuales regeneran una secuencia de instrucciones grabadas, como un robot utilizado en recubrimiento por spray o soldadura por arco. Estos robots
comúnmente tienen un control de lazo abierto.
2.- Robots controlados por sensores, estos tienen un control en lazo cerrado de movimientos manipulados, y hacen decisiones basados en datos obtenidos por sensores. 3.- Robots controlados por visión, donde los robots pueden manipular un objeto al utilizar información desde un sistema de visión. 4.- Robots controlados adaptablemente, donde los robots pueden automáticamente reprogramar sus acciones sobre la base de los datos obtenidos por los sensores. 5.- Robots con inteligencia artificial, donde las robots utilizan las técnicas de inteligencia artificial para hacer sus propias decisiones y resolver problemas. La inteligencia artificial se relaciona con los robots porque los científicos tratan de construir y formar un robot que sea lo mas humanizado posible, como en la película “Yo robot” muestra un mundo robotizado en un futuro no muy lejano.
La Asociación de Robots Japonesa (JIRA) ha clasificado a los robots dentro de seis clases atendiendo a su nivel de inteligencia:
1.- Dispositivos de manejo manual, controlados por una persona.
2.- Robots de secuencia arreglada.
3.- Robots de secuencia variable, donde un operador puede modificar la secuencia fácilmente.
4.- Robots regeneradores, donde el operador humano conduce el robot a través de la tarea.
5.- Robots de control numérico, donde el operador alimenta la programación del movimiento, hasta que se aprenda manualmente la tarea.
6.- Robots inteligentes, los cuales pueden entender e interactuar con cambios dentro del medio ambiente.
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1.- Nivel de inteligencia artificial, donde el programa aceptará un comando como "levantar el producto" y lo descompondrá dentro de una secuencia de comandos de bajo nivel basados en un modelo estratégico de las tareas.
2.- Nivel de modo de control, donde los movimientos del sistema son modelados, para lo que se incluye la interacción dinámica entre los diferentes mecanismos, trayectorias planeadas, y los puntos de asignación seleccionados.
3.- Niveles de servosistemas, donde los actuadores controlan los parámetros de los mecanismos con el uso de una retroalimentación interna de los datos obtenidos por los sensores, y la ruta es modificada sobre la base de los datos que se obtienen de sensores externos. Todas las detecciones de fallos y mecanismos de corrección son implementados en este nivel.
En la clasificación final se considerara el nivel del lenguaje de programación. La clave para una aplicación efectiva de los robots para una amplia variedad de tareas, es el desarrollo de lenguajes de alto nivel. Existen muchos sistemas de programación de robots, aunque la mayoría del software más avanzado se encuentra en los laboratorios de investigación. Los sistemas de programación de robots se clasifican dentro de tres clases:
1.- Sistemas guiados, en el cual el usuario conduce el robot a través de los movimientos a ser realizados.
2.- Sistemas de programación de nivel-robot, en los cuales el usuario escribe un programa de computadora al especificar el movimiento y el control de los sensores.
3.- Sistemas de programación de nivel-tarea, en el cual el usuario especifica la operación por sus acciones sobre los objetos que el robot manipula
Estos robots se han venido llamando robots de servicio.
La Federación Internacional de la Robótica (IFR) estableció en 1998 una clasificación de las aplicaciones de la Robótica en el sector manufacturero.
4.3.- ¿Por qué el Modelo Seleccionado?
Esta estructura presenta una gran ventaja con respecto a otras ya que la mayoría
De sus movimientos son a través de suspensiones pasivas lo cual establece un ahorro en articulaciones y por ende motores de cualquier tipo, el funcionamiento es el siguiente:
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Una ves que entran en contacto los laterales, es decir las suspensiones pasivas, generan un papel primordial ya que su tracción genera un apoyo mutuo facilitando pasar una primero y luego la otra, esto sucede en ambos lados.
Y por ultimo la ruede trasera que genera un apoyo en todo el tiempo a las ruedas delanteras.
Una ves obtenido el avance del vehiculo se pretende implementar un sistema de visión y una sistema de control (Brazo), para establecer un sistema completo y establecer un control total adaptable de un vehiculo móvil todo terreno multitareas.
4.4.- Simulación de Móvil mediante Solid Works
Vista Frontal
30 Vista Lateral Izquierda
31 Vista Superior
33 4.5.- Elaboración de Móvil.
4.6.- Descripción Funcional del Móvil Todo Terreno.
¿Por qué SUSPENSIONES ACTIVAS Y PASIVAS?
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sensores distribuidos estratégicamente para poder enviar las señales adecuadas a los actuadores, y que éstos actúen de forma que se mantenga un nivel máximo de estabilidad.
La principal ventaja de la suspensión activa frente a la suspensión pasiva es que la suspensión activa permite un control de cada rueda independiente. Gracias a este control se consigue mayor adherencia del vehículo al terreno, con lo que se aumenta la seguridad en la conducción. La principal desventaja de la suspensión activa es su elevado coste, principalmente para el control sobre altas frecuencias, cuya implementación resulta demasiado cara, por lo que es inviable en vehículos de serie.
Ahora analizaremos porque en nuestro caso usaremos suspensiones pasivas ya que nuestro móvil se adecuara al tipo de terreno sin necesidad de ocupar amortiguadores que ayuden a la movilización del mismo.
El control automático estudia los modelos matemáticos de sistemas dinámicos, sus propiedades y el cómo modificar éstas mediante el uso de otro sistema dinámico llamado controlador. El ser humano utiliza constantemente sistemas de control en su vida cotidiana, como en su vista, en su caminar, al conducir un automóvil, al regular la temperatura de su cuerpo y otros. De igual manera, en el mundo tecnológico constantemente se utilizan sistemas de control. Los conocimientos de esta disciplina se aplican para controlar procesos químicos, todo tipo de maquinaria industrial, vehículos terrestres.
CAPITULO 5.
Etapa de Control (Implementación de Algoritmos de Control)
En este proyecto se encuentran dos lazos de control, el primer lazo es abierto ya que con el cual se controla el direccionamiento del móvil, esto mediante una comunicación RF (Radio Frecuencia), esta diseñada a una frecuencia de 330MHz con una distancia de control posible a 15m , con lo cual se direcciona Adelante, Atrás, Giro Derecha y Giro Izquierda en función de 4 entradas (Botones) establecidos en el Transmisor respectivamente.
El segundo lazo se genera en el control de velocidad de los motores de DC, este lazo es cerrado, es decir, se cuenta con una retro (sensor) y en función de un control Fuzzy se modifica el % útil mediante PWM el cual es inyectado al motor mediante una driver.
Como es de analizar el control de lazo cerrado esta estrictamente en función del control de lazo abierto, ya que este debe de estar activado para que pueda entrar en decisión el control de lazo cerrado (la velocidad del móvil) esta velocidad es directamente proporcional a la corriente ya al voltaje de excitación, cabe aclarar que lo que nos interesa no es la velocidad, es decir, el torque o par que generen los moto reductores.
Y este par o torque también es directamente proporcional al a velocidad del motor.
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Diagrama de flujo General para sistema de control
Algoritmo control de Direccionamiento
duty VAR WORD ' Duty cycle value (CCPR1L:CCP1CON<5:4>) TRISC.2 = 0 ' Set PORTC.2 (CCP1) to output
CCP1CON = %00001100 ' Set CCP1 to PWM
T2CON = %00000101 ' Turn on Timer2, Prescale=4 PR2 = 249
duty = 0 ' Set duty cycle to 20%
TRISB = %00001111
mainloop:
CCP1CON.4 = duty.0 ' Store duty to registers as CCP1CON.5 = duty.1 ' a 10-bit word
36 if PORTB.0 = 0 then
duty = 1000 PORTB.6 = 0 PORTB.5 = 1 else
duty = 0 PORTB.6 = 0
PORTB.5 = 0
if PORTB.1 = 0 then
duty = 1000 PORTB.6 = 0
PORTB.5 = 1
else
duty = 0 PORTB.6 = 0
PORTB.5 = 0
if PORTB.2 = 0 then
duty = 1000 PORTB.5 = 0 PORTB.6 = 1
else
duty = 0 PORTB.6 = 0
PORTB.5 = 0
if PORTB.3 = 0 then
duty = 1000 PORTB.5 = 0 PORTB.6 = 1
37 Algoritmo de Control de Velocidad
duty VAR WORD ' Duty cycle value (CCPR1L:CCP1CON<5:4>) TRISC.2 = 0 ' Set PORTC.2 (CCP1) to output
CCP1CON = %00001100 ' Set CCP1 to PWM
T2CON = %00000101 ' Turn on Timer2, Prescale=4 duty = 0
DEFINE ADC_BITS 8 ; NÚMERO DE BITS
DEFINE ADC_CLOCK 3 ; USAR CLOCK INTERNO DEL AD DEFINE ADC_SAMPLEUS 50 ; TIEMPO DE MUESTREO EN 50US DEFINE OSC 4
define d=1
RES VAR word ; RESULTADO DE LA CONVERSIÓN sensor REF var word ; Resultado de conversion Referencia
a VAR Byte b var byte c var byte cont var byte suma var byte
TRISA = 0 ; RA0 (AN0) y RA2 (AN2) COMO ENTRADA TRISA = 1
TRISD = %00000000
ADCON0 = %11000001 ; RELOJ DEL A/D, SELECCIONA AN0 ; INICIAR CONVERSIÓN A/D
ADCON0 = %11001001
ADCON1 = %00000100 ; ESTABLECER SOLO UN CANAL COMO ANALÓGICO ; VOLTAJE DE REFERENCIA ES VDD
; INICIAR EL A/D c = 1
suma = 0 INICIO:
;INICIAR CONVERSIÓN
ADCIN 0, res ; LEER EL CANAL A a = 2 * RES ;2 VIENE DE->19.53/10 ADCIN 1, ref
b = 2 * RES ;2 VIENE DE->19.53/10
while PORTC.0 = 0
CCP1CON.4 = duty.0 ' Store duty to registers as CCP1CON.5 = duty.1 ' a 10-bit word
38 if c = 1 then
CCP1CON.4 = duty.0 ' Store duty to registers as CCP1CON.5 = duty.1 ' a 10-bit word
CCPR1L = DUTY >> 2 duty = 200
endif
Pause 40
if A = 0 then
c = c+1
CCP1CON.4 = duty.0 ' Store duty to registers as CCP1CON.5 = duty.1 ' a 10-bit word CCPR1L = DUTY >> 2
duty = 1000 'goto INICIO
else
C = 1
' CCP1CON.4 = duty.0 ' Store duty to registers as ' CCP1CON.5 = duty.1 ' a 10-bit word
' CCPR1L = DUTY >> 2 ' duty = 800
GOTO INICIO endif
wend
if PORTC.0 = 1 then
CCP1CON.4 = duty.0 ' Store duty to registers as CCP1CON.5 = duty.1 ' a 10-bit word
CCPR1L = DUTY >> 2 duty = 0
endif
' PAUSE 500 ; PAUSA 0.5 SEGUNDOS GOTO INICIO
39 CAPITULO 6.
Desarrollo
6.1.- Etapa de Comunicación
Diagrama esquemático del circuito Transmisor
Lista de materiales empleados para el Transmisor: • 1 Módulo Transmisor TWS.
• 1 C.I. Codificador HT12E. • 1 Dip Switch de 8 Líneas.
• 4 Resistencias de 220ohms a ¼ de Watt. • 1 Resistencia de 1Mohm a ¼ de Watt. • 4 Push Button de 2 terminales.
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Diagrama esquemático del Circuito Receptor 4 bits.
Lista de materiales empleados para el Receptor de 4 bits: • 1 Módulo Receptor RWS.
• 1 C.I. Decodificador HT12D. • 1 Dip Switch de 8 Líneas.
• 4 Resistencias de 220ohms a ¼ de Watt. • 1 Resistencia de 47Kohms a ¼ de Watt. • 4 LEDS.
• 1 Regulador de Voltaje 7805. • 1 Capacitor de 10 F 25v.
41 Transmisor
42 6.2.- Etapa de Control (Componente utilizado)
44 6.3.- Etapa de Potencia
“Elección de driver”
Escogimos el driver L298N ya que podemos controlar 2 motores Puente H doble de alta potencia:
• Corriente de operación hasta 2A por cada puente H
• Fuente de alimentación hasta 46V
• Fuente de alimentación para la parte lógica hasta 7V
• Velocidad de conmutación de hasta 40KHz
• 15 pines
Puede trabajar con dos fuentes de alimentación diferentes, de ese modo la lógica puede trabajar con un voltaje más bajo (TTL estándar).
Se pueden poner en paralelo los puentes H para aumentar la capacidad de corriente de operación.
6.4.- Sensores
Sensores de posición
Para el control de posición angular se emplean fundamentalmente los denominados encoders y resolvers. Los potenciómetros dan bajas prestaciones por lo que no se emplean salvo en contadas ocasiones (robots educacionales, ejes de poca importancia).
Codificadores angulares de posición (encoders)
Los codificadores ópticos o encoders incrementales constan, en su forma más simple, de un disco transparente con una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí, de un sistema de iluminación en el que la luz es colimada de forma adecuada, y de un elemento fotorreceptor. El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco transparente. Con esta disposición, a medida que el eje gire se irán generando pulsos en el receptor cada vez que la luz atraviese cada marca, y llevando una cuenta de estos pulsos es posible conocer la posición del eje.
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franja de marcas, desplazada de la anterior de manera que el tren de pulsos que con ella se genere esté desplazado 90° eléctricos con respecto al generado por la primera franja. De esta manera, con un circuito relativamente sencillo, es posible obtener una señal adicional que indique cuál es el sentido de giro y que actúe sobre el contador correspondiente indicandole que incremente o reduzca la cuenta que se está realizando. Es necesario además disponer de una marca de referencia sobre el disco que indique que se ha dado una vuelta completa y que, por tanto, se ha de empezar la cuenta de nuevo. Esta marca sirve también para poder comenzar a contar tras recuperarse de una caída de tensión.
Esquema de funcionamiento del codificador angular de posición encoder
La resolución de este tipo de sensores depende directamente del número de marcas que se pueden poner físicamente en el disco. Un método relativamente sencillo para aumentar esta resolución es, no solamente contabilizar los flancos de subida de los trenes de pulsos, sino contabilizar también los de bajada, incrementando así la resolución del captador, pudiéndose llegar, con ayuda de circuitos adicionales, hasta 100.000 pulsos por vuelta.
El funcionamiento básico de los codificadores o encoders absolutos es similar al de los incrementales. Se tiene una fuente de luz con las lentes de adaptación correspondientes, un disco graduado y unos fotorreceptores. En este caso, el disco transparente se divide en un número determinado de sectores (potencia de 2), codificándose cada uno de ellos según un código binario cíclico (normalmente código de Gray) que queda representado por zonas transparentes y opacas dispuestas radialmente. No es necesario ahora ningún contador o electrónica adicional para detectar el sentido del giro, pues cada posición (sector) es codificado de forma absoluta. Su resolución es fija, y vendrá dada por el número de anillos que posea el disco graduado. Las resoluciones habituales van desde 28 a 219 bits (desde 256 a 524288 posiciones distintas).
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En algunos encoders absolutos se utiliza otro encoder absoluto más pequeño conectado por un engranaje reductor al principal, de manera que cuando éste gire una vuelta completa, el codificado adicional avanzará una posición. Son los denominados encoder absolutos multivuelta.
Esta misma circunstancia originará que en el caso de los codificadores incrementales la señal de referencia o marca de cero, sea insuficiente para detectar el punto origen para la cuenta de pulsos, pues habrá N posibles puntos de referencia para un giro completo de la articulación. Para distinguir cual de ellos es el correcto se suele utilizar un detector de presencia denominado sincronismo, acoplado directamente al eslabón del robot que se considere. Cuando se conecta el robot desde una situación de apagado, es preciso, ejecutar un procedimiento de búsqueda de referencias para los sensores (sincronizado). Durante su ejecución se leen los detectores de sincronismo que detectan la presencia o ausencia de eslabón del robot. Cuando se detecta la presencia o ausencia de pieza, o viceversa, se atiende al encoder incremental, tomándose como posición de origen la correspondiente al primer pulso de marca de cero que aquél genere. Los encoders pueden presentar problemas mecánicos debido a la gran precisión que se debe tener en su fabricación. La contaminación ambiental puede ser una fuente de interferencias en la transmisión óptica. Son dispositivos particularmente sensibles a golpes y vibraciones, estando su margen de temperatura de trabajo limitado por la presencia de componentes electrónicos.
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Material: - Aluminio Aproximadamente 2 m (Estructura Cuadrada Hueca) - Aluminio Placa de 25 X 35 cm dos piezas iguales
- Tornillos Con tuerca de Presión (35 Juegos) - 6 Ruedas
- 6 Moto reductores
- Sistema Control Remoto RF - (6) PIC18F877A
- (6) L298N - Pilas de 12 V (2) - Pilas de 6V (2)
CONCLUSIONES
Al diseñar este móvil en base a otro diseño dado pudimos observar la estructura mecánica adecuada para este móvil ya que no solo había que tener en cuenta un simple diseño ya que hay que tener algunos conceptos básicos en la robótica como lo son la telemetría a pesar de que se intento tener el diseño mas adecuado posible al ir modificando el móvil pudimos darnos cuenta de algunas otras cosas que podemos modificar en la estructura del móvil pero que desgraciadamente por falta de tiempo y un poco de dinero no pudimos llevar a cabo aunque nuestro objetivo principal esta cumplido; ahora nuestra meta es hacer un móvil autónomo para lo cual ya contamos con las bases adecuadas para implantarlo pero como se dijo anteriormente solo hace falta recursos; además de que la estructura mejoraría también el móvil podría mejorar bastante el paso de los obstáculos con el tipo de llantas adecuadas y adaptables.
Por otra parte el diseño electrónico aunque los drivers que utilizamos y con los que además hicimos otras pruebas pudimos observar que al girar los motores en diferentes sentidos la corriente se regresaba y esto nos provoca que se quemaran los drivers por lo cual tuvimos la necesidad de comprar mas drivers hasta que finalmente pudimos encontrar la solución adecuada que fue ponerle un arreglo de diodos ya que con estos aunque se regrese la corriente este al pasar por el diodo evita que pase directamente al driver y evita que se queme el driver.
48 SIMULACIONES U1(MCLR/Vpp/THV) RA0/AN0 2 RA1/AN1 3 RA2/AN2/VREF-4 RA4/T0CKI 6 RA5/AN4/SS 7 RE0/AN5/RD 8 RE1/AN6/WR 9 RE2/AN7/CS 10 OSC1/CLKIN 13 OSC2/CLKOUT 14 RC1/T1OSI/CCP2 16 RC2/CCP1 17 RC3/SCK/SCL 18 RD0/PSP0 19 RD1/PSP1 20 RB7/PGD 40 RB6/PGCRB5 39 38 RB4 37 RB3/PGM 36 RB2 35 RB1 34 RB0/INT 33 RD7/PSP7 30 RD6/PSP6 29 RD5/PSP5 28 RD4/PSP4 27 RD3/PSP3 22 RD2/PSP2 21 RC7/RX/DT 26 RC6/TX/CKRC5/SDO 25 24 RC4/SDI/SDA 23 RA3/AN3/VREF+ 5 RC0/T1OSO/T1CKI 15 MCLR/Vpp/THV 1 U1 PIC16F877 R1 330 R2 330 R1(1) R3 330 R4 330 IN1 5 IN2 7 ENA 6 OUT1 2 OUT2 3 ENB
11 OUT3 13
OUT4 14 IN3 10 IN4 12 SENSA 1 SENSB 15 GND 8 VS 4 VCC 9 U3 L298 U3(VCC) U3(VS) U2(MCLR/Vpp/THV) RA0/AN0 2 RA1/AN1 3 RA2/AN2/VREF-4 RA4/T0CKI 6 RA5/AN4/SS 7 RE0/AN5/RD 8 RE1/AN6/WR 9 RE2/AN7/CS 10 OSC1/CLKIN 13 OSC2/CLKOUT 14 RC1/T1OSI/CCP2 16 RC2/CCP1 17 RC3/SCK/SCL 18 RD0/PSP0 19 RD1/PSP1 20 RB7/PGD 40 RB6/PGCRB5RB4 3938 37 RB3/PGM 36 RB2 35 RB1 34 RB0/INT 33 RD7/PSP7 30 RD6/PSP6 29 RD5/PSP5 28 RD4/PSP4 27 RD3/PSP3 22 RD2/PSP2 21 RC7/RX/DT 26 RC6/TX/CKRC5/SDO 2524 RC4/SDI/SDA 23 RA3/AN3/VREF+ 5 RC0/T1OSO/T1CKI 15 MCLR/Vpp/THV 1 U2 PIC16F877 IN1 5 IN2 7 ENA 6 OUT1 2 OUT2 3 ENB 11 OUT3 13 OUT4 14 IN3 10 IN4 12 SENSA 1 SENSB 15 GND 8 VS 4 VCC 9 U4 L298 U4(VCC) U4(VS) IN1 5 IN2 7 ENA 6 OUT1 2 OUT2 3 ENB
11 OUT3 13
OUT4 14 IN3 10 IN4 12 SENSA 1 SENSB 15 GND 8 VS 4 VCC 9 U5 L298 U5(VCC) IN1 5 IN2 7 ENA 6 OUT1 2 OUT2 3 ENB
11 OUT3 13
49 BIBLIOGRAFIA
Ingenieria de Control Moderna, K. Ogata
Control System Design de G. C. Goodwin, S.F. Graebe y M. E. Salgado,2001
Modern Control Systems, de R:C: Dorf y R.H Bishop, 2001
