DESARROLLO DE UN ROBOT MÓVIL TERRESTRE
SEMI-AUTÓNOMO CON ACCESO REMOTO
Nickson Eduardo García Hernández
Cristian Giovanny Molina Hernández
Facultad de Ingeniería
Ingeniería Electrónica
DESARROLLO DE UN ROBOT MÓVIL TERRESTRE
SEMI-AUTÓNOMO CON ACCESO REMOTO
Nickson Eduardo García Hernández
Cristian Giovanny Molina Hernández
Trabajo de grado que se presenta como requisito parcial para optar al título de:
Ingeniero Electrónico
Director:
MSc. Ing. Harold Fabián Murcia Profesor Universidad de Ibagué
Facultad de Ingeniería
Ingeniería Electrónica
Dedicatoria
A mis padres y hermanos Con amor, respeto y admiración
Nickson García H.
A Dios, mi familia y a cada persona que me acompaño en este proceso. Con aprecio
Agradecimientos
A mis padres, por todos sus sacrificios, esfuerzos y apoyo brindado a lo largo de todo este camino, por su amor y entrega incondicional, por estar conmigo en mis éxitos y en mis fracasos, por su educación y valores inculcados. A mi hermano, por sus enseñanzas directa o indirectamente. Han sido un ejemplo a seguir para mí.
A todos mis amigos por esos grandes momentos vividos dentro y fuera de la facultad, a mi compañero de tesis por su gran amistad, apoyo, paciencia, esfuerzo y compromiso con la culminación de esta meta. A ella, por su amor, apoyo y comprensión en todo momento.
A toda la planta docente del programa por sus grandes enseñanzas, en especial a nuestro director de tesis el Ing. Harold Murcia por sus consejos, ayuda y dedicación. Al semillero de investigación SIRUI adscrito al grupo D+TEC. Este proyecto fue posible gracias al financiamiento por parte del programa de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Ibagué y del proyecto “Explotación de Ecos Múltiples en la Clasificación de Nubes de Puntos 3D Generadas a partir de Sensores LiDAR en Aplicaciones de Agricultura de Precisión”, código 19-489-INT.
A todos, mis más sinceros agradecimientos.
Nickson García H.
“Los que tienen su esperanza puesta en Dios renovarán sus fuerzas. Les crecerán alas como a las águilas; correrán sin fatigarse, caminarán sin cansarse” Isaías 40:31.
Inicialmente agradezco a Dios por la fortaleza y paciencia que me brindo a lo largo de este proyecto, desde el inicio fue mi guía en momentos de complejidad dándome la vida y las herramientas para culminar esta meta.
A mi padre por brindarme la oportunidad de realizar mis estudios, por ser un consejero y estar para mi incondicionalmente. A mi madre por su gran amor, cariño y apoyo en cada una de las dificultades que surgieron en el camino, porque sin ellos no hubiese podido finalizar mis estudios y ser la persona que soy hoy por hoy. A mi pareja que a pesar de las largas horas de trabajo, con su gran amor siempre me apoyo y alentó a seguir adelante.
VIII García Nickson Molina Cristian
por enseñarme el valor de una amistad sincera, por las grandes anécdotas vividas y por la perseverancia y compromiso para alcanzar este logro en equipo.
A mi tutor del proyecto, Ing. Harold Murcia por guiarme en el proceso y orientarme de la mejor manera, por compartir sus conocimientos, experiencias y tiempo. Al semillero de investigación SIRUI adscrito al grupo D+TEC. Este proyecto fue posible gracias al financiamiento por parte del programa de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Ibagué y del proyecto “Explotación de Ecos Múltiples en la Clasificación de Nubes de Puntos 3D Generadas a partir de Sensores LiDAR en Aplicaciones de Agricultura de Precisión”, código 19-489-INT.
A cada una de las personas, mis mas sinceros agradecimientos.
Resumen
Este documento es el informe final del trabajo de grado correspondiente al desarrollo de un robot explorador terrestre no tripulado, el cual es controlado a distancia mediante una conexión de red, con acceso a internet para largas distancias, o sin este para un manejo local, a través de un gamepad conectado a un sistema Linux remoto compatible con ROS. Existe un gran número de aplicaciones en las que los robots terrestres no tripulados pueden ser utilizados: agricultura, mapeo de información, transporte o exploración en ambientes de difícil acceso para el ser humano, de forma que logre superar los diferentes desafíos que pueda haber en la ruta, teniendo la capacidad de brindar algunas ayudas al piloto, como lo son transmitir vídeo en tiempo real mediante una videocámara y un dispositivo Kinect V1, informar sobre su trayectoria recorrida interpretando los datos obtenidos por la IMU y los encoders, combinándolos mediante un Filtro Extendido de Kalman; así como una función de control automático de velocidad o la opción de transportar cargas livianas con un brazo robótico a bordo. En este documento se describen los métodos utilizados para las etapas de diseño y construcción del prototipo en sus capas mecánica, electrónica y de software. También se presentan los resultados obtenidos en pruebas realizadas en diferentes condiciones.
Palabras clave:
Vehículo terrestre no tripulado, estimación de posición, ROS, odometría, control digital, robótica de exploración.Abstract
This document is the final report of the degree work corresponding to the development of an unmanned ground exploration robot, which is controlled remotely by means of a network connection, with access to the internet for long distances, or without it for local management, through a gamepad connected to a remote Linux system compatible with ROS. There are a large number of applications in which unmanned terrestrial robots can be used: agriculture, information mapping, transport or exploration in environments that are difficult for humans to access, in order to overcome the different challenges that may exist in the route, having the ability to provide some help to the pilot, as they are to transmit video in real time through a video camera and a Kinect V1 device, to inform about their trajectory by interpreting the data obtained by the IMU and the encoders, combining them through an Extended Kalman Filter; as well as an automatic speed control function or the option to transport light loads with a robotic arm on board. This document describes the methods used for the design and construction stages of the prototype in its mechanical, electronic and software layers. The results obtained in tests carried out in different conditions are also presented.
X García Nickson Molina Cristian
Contenido
Contenido
Resumen ... IX
Introducción ...1
Capítulo 1. Vehículo Terrestre no Tripulado ...5
1.1 Marco Teórico ... 5
1.1.1 Topologías de Robots Móviles Terrestres ...5
1.1.2 Elementos de Percepción y Acción ...9
1.1.3 Robot Operating System ...10
1.1.4 Control PID ...11
1.1.5 Filtro Extendido de Kalman...12
1.2 Antecedentes ... 13
1.3 Descripción del Problema y Justificación ... 15
1.4 Objetivos ... 16
1.4.1 Objetivo General ...16
1.4.2 Objetivos Específicos ...16
1.5 Metodología ... 16
Capítulo 2. Diseño del Alpha Rover ...21
2.1 Capa Electrónica del Sistema ... 22
2.1.1 Selección de Componentes para la Capa Electrónica ...23
2.1.2 Diseño Electrónico ...38
2.2 Capa Mecánica del Sistema ... 40
2.2.1 Selección de Materiales para la Capa Mecánica ...41
2.2.2 Diseño Mecánico ...42
2.3 Capa de Software del Sistema ... 54
2.3.1 Diseño del Sistema Central del Robot ...54
2.3.2 Diseño del Control de Velocidad ...60
2.3.3 Diseño de la Estimación de Trayectoria...72
Capítulo 3. Resultados Experimentales ...75
3.1 Implementación Electrónica del Sistema ... 75
3.2 Fabricación del Robot ... 76
3.3 Resultados de Manipulación Remota ... 78
3.3.1 Test 1 de navegación (Desierto de la Tatacoa) ...78
3.3.2 Test 2 de navegación (Zona rural Ibagué) ...79
3.3.3 Test 3 de navegación (Campus Unibagué) ...81
3.4 Resultados del Control de Velocidad ... 83
3.5 Resultados de la Estimación de Trayectoria ... 85
Capítulo 4. Conclusiones y Recomendaciones ...88
4.1 Aportes ... 90
Referencias Bibliográficas ...91
Proyecto de grado. Ingeniería Electrónica. 2019. XII
Lista de figuras
Pág.
Figura 1-1. Configuración diferencial. Fuente: [8] ... 6
Figura 1-2. Comparativa entre topología diferencial y Ackerman. Fuente: Autores ... 6
Figura 1-3. Diagrama de la configuración Ackerman. Fuente: [10] ... 7
Figura 1-4. Diagramas de configuración skid-steer. Fuente: [11], [12] ... 8
Figura 1-5. Sistema Rocker-Bogie integrado en el MER Curiosity. Fuente: www.jpl.nasa.gov ... 8
Figura 1-6. Proceso de superación de un obstáculo de un sistema rocker-bogie. Fuente: [14] ... 9
Figura 1-7. Esquema de un sistema de control automático en lazo cerrado. Fuente: [24] ... 12
Figura 1-8. Metodología de desarrollo. Fuente: Autores ... 18
Figura 2-1. Diagrama pictórico del sistema electrónico. Fuente: Autores ... 23
Figura 2-2. Motor DC seleccionado para el robot. Fuente: www.pololu.com ... 28
Figura 2-3. Batería LiPo HBR 6000 mAh - 50C. Fuente: www.rcextremo.co ... 33
Figura 2-4. Encoder de efecto Hall utilizado. Modificado de: www.pololu.com ... 34
Figura 2-5. Principios de funcionamiento del encoder de efecto Hall. Fuente: Autores ... 34
Figura 2-6. Señales generadas por el encoder. Fuente: www.pololu.com ... 35
Figura 2-7. Especificaciones de la IMU seleccionada. Modificado de: [30] ... 35
Figura 2-8. Sensores del Kinect V1. Fuente: Autores ... 36
Figura 2-9. Logitech QuickCam Orbit AF. Fuente: www.logitech.com ... 37
Figura 2-10. Esquema del subsistema de comunicación. Fuente: Autores ... 38
Figura 2-11. PCB diseñada para la etapa de alimentación. Fuente: Autores ... 39
Figura 2-12. PCB diseñada para la etapa de acondicionamiento. Fuente: Autores ... 40
Figura 2-13. Selección de materiales para la construcción. Fuente: Autores... 42
Figura 2-14. Diseño de robot móvil (configuración skid-steer – suspensión rocker-bogie) en SolidWorks. Fuente: Autores ... 43
Figura 2-15. Estructura principal o chasis del robot. Fuente: Autores ... 43
Figura 2-16. Construcción de rines en torno CNC. Fuente: Autores ... 44
Figura 2-17. Diseño de rines para ruedas motrices en SolidWorks. Fuente: Autores ... 45
Figura 2-18. Diseño y construcción de bujes en SolidWorks. Fuente: Autores ... 45
Figura 2-19. Diseño de soporte para motor con SolidWorks. Fuente: Autores ... 46
Figura 2-20. Especificaciones de diseño del soporte para motor con SolidWorks. Fuente: Autores ... 46
Figura 2-21. Diseño del sistema de suspensión rocker-bogie. Fuente: [14] y Autores ... 48
Figura 2-22. Diseño y ensamble de rocker-bogie en SolidWorks y el prototipo real. Fuente: Autores ... 49
Figura 2-24. Ensamble del armazón en la estructura principal del prototipo. Fuente:
Autores ...50
Figura 2-25. Esquema del nivel de computación de ROS. Fuente: Autores ...56
Figura 2-26. Diagrama de conexión entre el master y los nodos. Fuente: Autores ...56
Figura 2-27. Mapa de nodos y tópicos del sistema. Fuente: Autores ...58
Figura 2-28. Relación de velocidad angular (rpm) y el valor medido por los encoders. Fuente: Autores ...62
Figura 2-29. a) Señal de identificación (PRBS). b) Salida-entrada ajustada del sistema. Fuente: Autores ...63
Figura 2-30. MATLAB System Identification Toolbox GUI. Fuente: Autores ...64
Figura 2-31. Identificación del modelo. Fuente: Autores ...64
Figura 2-32. Salida del modelo medida y simulada. Fuente: Autores ...65
Figura 2-33. Validación del modelo. Fuente: Autores ...66
Figura 2-34. Interfaz gráfica de Frtool con curva en el gráfico de Nichols correspondiente a la respuesta de frecuencia del bucle. Fuente: [33] ...67
Figura 2-35. Diseño de control con FRtool (parámetros Ro, Ts, %OS). Fuente: Autores .68 Figura 2-36. Diseño óptimo del controlador PID y la respuesta paso de motor derecho (superior) e izquierdo (inferior). Fuente: Autores ...69
Figura 2-37. Pseudocódigo del control de velocidad de motores. Fuente: Autores ...71
Figura 2-38. Implementación de control de velocidad (a), diagrama de bloques del controlador PID de cada motor (b y c) y señal de salida (d). Fuente: Autores...72
Figura 3-1. Diagrama de bloques del sistema. Fuente: Autores ...75
Figura 3-2. PCB de acondicionamiento electrónico del sistema. Fuente: Autores ...76
Figura 3-3. Partes del prototipo final. Fuente: Autores ...77
Figura 3-4. Imagen captada por la cámara de navegación en el test 1. Fuente: Autores .78 Figura 3-5. Comparativa entre la reconstrucción 3D y la imagen de navegación. Fuente: Autores ...79
Figura 3-6. Distancia en línea recta entre el UGV y el piloto en el test 1. Fuente: Autores ...79
Figura 3-7. Prueba de latencia del test 2. Fuente: Autores ...80
Figura 3-8. Imagen captada por la cámara de navegación en el test 2. Fuente: Autores .80 Figura 3-9. Distancia en línea recta entre el UGV y el piloto en el test 2. Fuente: Autores ...81
Figura 3-10. Prueba de latencias del test 3. Fuente: Autores ...82
Figura 3-11. Trayectoria recorrida en el test 3. Fuente: Autores ...82
Figura 3-12. Imagen captada por la cámara de navegación en el test 3. Fuente: Autores ...83
Figura 3-13. Sin control de velocidad en rampa de 30° de inclinación. Fuente: Autores ..84
Figura 3-14. Control de velocidad en rampa de 30° de inclinación. Fuente: Autores ...84
Figura 3-15. Establecimiento de velocidad de los motores entorno a la señal de referencia variable. Fuente: Autores ...85
XIV García Nickson Molina Cristian
Lista de tablas
Pág.
Tabla 1-1. Algoritmo general del EKF. Fuente: Autores ...13
Tabla 2-1. Requerimientos de diseño del robot. Fuente: Autores ...21
Tabla 2-2. Características principales de las opciones de actuadores a implementar. Fuente: Autores ...24
Tabla 2-3. Comparación de características de diferentes motores DC. Fuente: Autores .27 Tabla 2-4. Matriz de selección para motores del robot. Fuente: Autores ...27
Tabla 2-5. Matriz de selección de la tarjeta de control principal. Fuente: Autores ...28
Tabla 2-6. Matriz de selección de driver de potencia para motores. Fuente: Autores ...29
Tabla 2-7. Matriz de selección de convertidores DC-DC. Fuente: Autores ...30
Tabla 2-8. Matriz de selección de baterías. Fuente: Autores ...33
Tabla 2-9. Matriz de selección para materiales de estructura. Fuente: Autores ...41
Tabla 2-10. Requerimientos para el brazo robótico. Fuente: Autores ...51
Tabla 2-11. Especificaciones de diseño del brazo robótico. Fuente: Autores ...52
Tabla 2-12. Datos de lectura de encoders y Tacómetro (rpm). Fuente: Autores ...61
Introducción
La idea de crear una máquina autónoma que pueda desempeñar tareas útiles en beneficio de las personas ha motivado el desarrollo de inventos tales como [1], que trata sobre robótica móvil, la cual conforma una parte fundamental en las actividades de la vida moderna, por ejemplo, en procesos de industria y manufactura como en [2], puesto que el flujo de materiales de las líneas de producción necesita ser agilizado y más preciso. En comparación con el uso de cintas transportadoras fijas, que pueden ser difíciles y costosas de adaptar, los AGV (Vehículos Automáticos Guiados) y AMR (Robots Móviles Autónomos) pueden ser más eficientes, y por lo tanto ofrecen una forma más rentable de suministrar materiales [2]. Este tipo de robótica también es útil para ayudar a las personas en una amplia gama de actividades, preservando su integridad en labores de búsqueda y rescate, extinción de incendios, construcción de túneles, agricultura, minería, exploración planetaria, desactivación de explosivos, operaciones en zonas radioactivas y demás ambientes peligrosos como es visto en [3] y [4]. También se pueden utilizar como robots de servicio con el objetivo de realizar trabajos de apoyo a la sociedad, en este campo son generalmente usados en tareas de laboratorio, actividades didácticas y ayuda a minusválidos como en el caso de [5], entre otros.
Existen diferentes tipos de robots, todos ellos se diferencian según sus capacidades y se pueden clasificar generalmente en fijos y móviles. A diferencia de los robots estacionarios, que realizan su trabajo desde un punto fijo, los robots móviles tienen que desplazarse mediante un sistema de locomoción a través de grandes entornos, por lo que al realizar sus tareas van a enfrentarse a un alto grado de incertidumbre. Esto puede solventarse mediante la captación de información del medio en el que se encuentra, por lo cual deben estar dotados con un gran sistema sensorial según su tipo de aplicación [6].
Particularmente en este proyecto, como su título lo indica, se documenta la metodología para desarrollar un prototipo robótico móvil semi-autónomo con capacidad de explorar su entorno y transmitir la información captada por sus sistemas de percepción en tiempo real a través de una red local sin necesidad de conexión a internet para accesos a distancias cortas, o con una conexión a internet, que brinde acceso a una Red Virtual Privada (VPN), para maniobras a larga distancia.
2 García Nickson Molina Cristian
encoders y la IMU, logra trazar un estimado de la trayectoria recorrida por la plataforma móvil.
El calificativo de semi-autónomo hace referencia a la capacidad de percibir la velocidad angular actual de las ruedas, para lograr por sí mismo establecerla en un punto de referencia deseado, siendo capaz de hacer frente a posibles variaciones del terreno por el cual navega (obstáculos o pendientes) y superarlas a una velocidad constante con una mínima intervención por parte del piloto. Del mismo modo, el brazo robótico del sistema también cuenta con una función automática para recoger objetos, siempre que estos estén ubicados en el punto marcado por los indicadores láser instalados. Ambas funciones mencionadas solo requieren ser activadas por el piloto mediante combinaciones de botones predeterminadas.
Capítulo 1. Vehículo Terrestre no Tripulado
1.1 Marco Teórico
Con el propósito de introducir al lector en el contexto del proyecto, se exponen algunos de los conceptos básicos que fundamentan el mismo, y que permiten al lector entender de mejor manera tanto la problemática de estudio como los aportes del proyecto.
1.1.1 Topologías de Robots Móviles Terrestres
Dentro de la categoría de robots móviles existe una gran variedad de sistemas de locomoción para trasladarse sobre una superficie sólida; entre los más comunes se destacan las ruedas, las cadenas y las patas, no obstante, como se refleja en todos los casos expuestos en la sección de Antecedentes de este documento, los vehículos de ruedas son los más populares principalmente por dos razones prácticas, ya que presentan mayor facilidad a la hora de su construcción y control, además la carga que pueden transportar es mayor, puesto que, tanto los robots basados en cadenas como en patas, se pueden considerar más complejos y pesados que los robots de ruedas para una misma carga útil.
La principal desventaja de las ruedas es su desempeño en terrenos irregulares, en los que presentan dificultades para desplazarse, normalmente un vehículo de ruedas no puede sobrepasar un obstáculo que tenga una altura superior al radio de sus ruedas como es visto en [7], razón por la que surgen posibles soluciones, como por ejemplo, utilizar ruedas mayores que los posibles obstáculos a superar, implementar diferentes topologías, distribución y cantidad de ruedas a las convencionales o incorporar un sistema de suspensión que facilite el desempeño de la plataforma a la hora de desplazarse sobre dichas irregularidades.
A continuación se describen las topologías o configuraciones de robots móviles con ruedas más comunes, así como el tipo de suspensión utilizado en este proyecto.
6 García Nickson Molina Cristian
deben estar balanceados. Cuando los motores encuentran diferentes resistencias (cada rueda sobre un terreno diferente) las velocidades de los motores varían y el robot girará incluso cuando se le haya ajustado inicialmente para que vaya recto, lo quiere decir que la velocidad debe ser controlada dinámicamente, es decir, debe existir un medio de monitorizar y cambiar la velocidad del motor mientras el robot avanza. De esta manera la simplicidad del diseño queda minimizada por la complejidad del sistema de control de la velocidad; no obstante, la reducción de la complejidad mecánica en comparación de la electrónica, es frecuentemente una elección más económica y fiable [7]. En este caso no existen ruedas directrices controladas, pues el cambio de dirección se realiza modificando la relación de velocidad relativa de las ruedas motrices izquierda y derecha para trazar curvas, o invirtiendo sus sentidos de giro para virajes sobre su propio eje.
a) Diseño triangular. b) Diseño romboidal. Figura 1-1. Configuración diferencial. Fuente: [8]
• Configuración Ackerman: Es el utilizado en vehículos de cuatro ruedas convencionales, de hecho, los vehículos robóticos para exteriores resultan normalmente de la modificación de estos [9]. El sistema se basa en dos ruedas motrices traseras que se montan de forma paralela en el chasis principal del vehículo, y a diferencia de la topología diferencial, esta cuenta con ruedas de direccionamiento controlado delanteras, como se ilustra en la Figura 1-2.
La rueda delantera interior gira un ángulo ligeramente superior a la rueda exterior, de forma tal que los ejes de prolongación de las ruedas delanteras (directrices) se cortan en el ICR (centro instantáneo de rotación), que se sitúa en el mismo punto que en el eje de prolongación de las ruedas traseras (motrices). Esto elimina el deslizamiento que provoca los sobre virajes de la plataforma. El lugar de los puntos trazados sobre el suelo por los centros de los neumáticos, son circunferencias concéntricas con centro en el eje de rotación ICR. Si no se tienen en cuenta las fuerzas centrífugas, los vectores de velocidad instantánea son tangentes a estas curvas, por lo que las velocidades de movimiento del móvil deberán evitar que las ruedas no resbalen.
En los robots móviles con configuración Ackerman se presentan dos ángulos de giro, uno en cada rueda, lo cual genera mayores problemas a la hora de realizar el control, por lo que en muchas ocasiones lo que se hace es unificar los ángulos de direccionamiento en uno sólo, causando que los radios de giro para los cuales el robot no muestra deslizamiento lateral son mayores que en otras configuraciones. En la Figura 1-3 se puede observar éste efecto sobre el centro instantáneo de rotación.
Figura 1-3. Diagrama de la configuración Ackerman. Fuente: [10]
8 García Nickson Molina Cristian
robot. La configuración skid-steer es muy utilizada en una gran variedad de vehículos móviles: montacargas, vehículos de minería o de guerra. También se utilizan en aplicaciones relacionadas con la robótica de exploración o de investigación. En la Figura 1-4 se ilustra la configuración skid-steer con 4 y 6 ruedas.
Figura 1-4. Diagramas de configuración skid-steer. Fuente: [11], [12]
• Suspensión Rocker-Bogie: El sistema rocker-bogie hace referencia al tipo de suspensión utilizado en los rovers de exploración interplanetaria enviados a Marte por la NASA, y a día de hoy continúa siendo el modelo de referencia de sus diseños [13], como en el caso del Curiosity Rover en la Figura 1-5.
una rueda motora, mientras que en el otro extremo se acopla el elemento bogie, el cual puede pivotar sobre el balancín. El término bogie se refiere al mecanismo que aloja en cada extremo una rueda motriz. Este tipo de soporte se suele utilizar para ayudar a distribuir la carga sobre las seis ruedas.
El diseño rocker-bogie no incorpora muelles o ejes por cada rueda, lo que permite al rover superar obstáculos como rocas con un tamaño mayor al del diámetro de las ruedas, manteniendo las seis ruedas sobre el suelo. Según el Laboratorio de Propulsión a Reacción (JPL) de la NASA, este sistema de suspensión reduce el movimiento del cuerpo del vehículo a la mitad en comparación a otros [13]. Cada una de las seis ruedas que incorpora el rover tiene su propio motor independiente, los cuales cuentan con una reductora de manera que cada rueda individual puede cargar una gran parte de la masa del vehículo.
Para poder superar un obstáculo vertical, las ruedas delanteras son empujadas contra este por el resto de ruedas del vehículo, de esta manera las ruedas delanteras se inclinan sobre su eje para adaptarse y superar el obstáculo. Las ruedas centrales pasan a ser empujadas por las ruedas traseras contra el obstáculo con la ayuda de las delanteras que ejercen una fuerza tractora sobre el resto. Por último las ruedas traseras son empujadas contra el obstáculo por el resto de ruedas que ya lo han superado. Cuando una rueda se encuentra superando un obstáculo, el avance del vehículo se ralentiza, llegando a detenerse en ocasiones [14]. En la Figura 1-6 se ilustran las partes del sistema de suspensión rocker-bogie, así como las diferentes posiciones que adopta al momento de superar un obstáculo.
Figura 1-6. Proceso de superación de un obstáculo de un sistema rocker-bogie. Fuente: [14]
1.1.2 Elementos de Percepción y Acción
10 García Nickson Molina Cristian
control UCC. En este prototipo el sistema de percepción está conformado por los siguientes elementos de entrada:
• IMU: La unidad de medición inercial es un elemento emisor de información sobre orientación, inclinación y aceleración, a fin de que puedan llevarse a cabo procesos automatizados de control. Esta emisión de datos debe evaluarse a fin de verificar la veracidad de sus mediciones en la tarea a la que son asignadas [15].
• Kinect: Es un dispositivo inicialmente pensado como un simple controlador de juego, que integra componentes como: sensor de profundidad, cámara RGB, arreglo de micrófonos y sensor de infrarrojos, es capaz de capturar un objeto, reconocerlo y posicionarlo en un plano 3D [16].
• Encoders: Son sensores que generan señales digitales en respuesta al movimiento rotatorio o lineal. Cuando son usados en conjunto con dispositivos mecánicos tales como ruedas conectadas a motores, estos pueden ser utilizados para medir sus respectivas velocidades [17].
• Cámara web: Es una pequeña cámara asociada a una PC que puede capturar imágenes y transmitirlas a través de Internet a diferentes PC de forma privada. También existen diferentes cámaras autosuficientes que únicamente necesitan un punto de acceso a la red. Ambas son útiles en asignaciones de seguridad y reconocimiento de video [18].
Por el contrario los sistemas de acción se describen como aquellos compuestos por actuadores capaces de realizar las acciones ordenadas por la UCC.
• Motorreductores: Es un método de reducción de velocidad de un motor DC, estos por lo regular usan sistemas de engranajes que varían el par del motor en proporción a la velocidad, la máquina convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción de un campo magnético.
• Servomotores y manipulación de carga: Entre las características de los servomotores puede destacarse una alta relación entre el par del motor y la inercia, por lo cual resultan útiles en aplicaciones tan variadas como las correspondientes a la manipulación de carga en el campo de la robótica, permitiendo el desarrollo de piezas como un brazo robótico. Dicho sistema debe admitir la programación de su posicionamiento, aceleración y velocidad [19].
1.1.3 Robot Operating System
Arch, Gentoo, OpenSUSE, Debian o Microsoft Windows, considerados a día de hoy como ‘experimentales’ [21]. En el caso de este proyecto se utilizó Ubuntu 14.04 y ROS Indigo. Gracias al soporte en línea con el que cuenta ROS, se puede encontrar suficiente información técnica, además de intuitivas guías de instalación [22].
Algunas de las características principales de ROS son: • Cuenta con un nodo principal de coordinación.
• Apuesta por la modularidad (diferentes áreas que se conjugan en un proyecto). • En ROS cada módulo es autónomo (como las computadoras en una red LAN).
• Permite procesamiento distribuido en múltiples núcleos, multiprocesamiento, GPUs y clústeres.
• Cada módulo interactúa entre sí por medio de mensajes llamados tópicos (protocolo XML-RCP), esto hace posible la programación en diferentes lenguajes C++, Python o Java.
• Publicación o subscripción de flujos de datos: imágenes, estéreo, láser, actuador, etc. • Hace uso del protocolo TCP/IP para un esquema cliente-servidor entre diferentes
dispositivos conectados a una misma red.
ROS tiene dos partes básicas: el sistema operativo y ros-pkg. Esta última consiste en una suite de paquetes aportados por la contribución de usuarios que implementan las funcionalidades tales como localización y mapeo simultáneo, percepción, simulación, control, robots móviles, etc. Además se trata de un software con licencia libre para uso comercial y de investigación [20].
Actualmente existen algunos robots tanto comerciales como de investigación que ya utilizan ROS, entre estos se pueden encontrar:
• PR1: robot personal desarrollado por el laboratorio Ken Salisbury en Stanford. • PR2: robot personal que está siendo desarrollado por Willow Garage.
• Baxter de Rethink Robotics, Inc.
• Robot de Shadow: mano robótica diestra motorizada desarrollada por la empresa Shadow y la cual se está desarrollando mediante el consorcio de un proyecto europeo dentro del marco europeo. Entre los participantes de este proyecto se pueden encontrar la empresa Shadow Robot, la Université Pierre et Marie Curie-Paris (Francia) o la Universidad Carlos III de Madrid (España).
• HERB: desarrollado en CMU dentro del programa de robótica personal de Intel.
1.1.4 Control PID
12 García Nickson Molina Cristian
la sumatoria de estas acciones a un sistema con realimentación se obtiene una estructura de control PID en lazo cerrado, representado en la Figura 1-6.
Figura 1-7. Esquema de un sistema de control automático en lazo cerrado. Fuente: [24] La señal de referencia indica el estado que se desea conseguir en la salida del sistema. En un sistema de control de velocidad, la referencia será la velocidad deseada y la salida será la velocidad real del sistema controlado.
Como puede verse en el esquema anterior, la entrada al controlador es la señal de error. Esta señal indica al controlador la diferencia que existe entre el estado que se quiere conseguir y el estado real del sistema a través de una señal de realimentación medida por el sensor. Si la señal de error es grande, significa que el estado del sistema se encuentra lejos del estado de referencia deseado. Si por el contrario el error es pequeño, significa que el sistema ha alcanzado el estado deseado.
La salida de un controlador automático se conecta a un actuador, como un motor o una válvula. El actuador es un dispositivo de potencia que produce la entrada para la planta de acuerdo con la señal de control, a fin de que la señal de salida se aproxime a la señal de entrada de referencia.
El elemento de medición es un dispositivo sensorial que convierte la variable de salida en información interpretable y manejable, como un desplazamiento o un voltaje, que pueda usarse para comparar la salida con la señal de referencia. Dicho elemento está en la trayectoria de realimentación del sistema en lazo cerrado [24].
1.1.5 Filtro Extendido de Kalman
de filtrar y predecir sistemas lineales, siendo posteriormente extendido para el análisis no lineal (EKF). Básicamente es un conjunto de ecuaciones matemáticas que implementan un estimador del tipo predictor-corrector. Procesa todas las medidas disponibles (IMU y odometría) para estimar el valor actual de las variables de interés (posición). Esto es posible gracias a:
a) el conocimiento del sistema y a dispositivos dinámicos de medida,
b) a la descripción de los ruidos del sistema, errores de medida e incertidumbre en los modelos dinámicos,
c) y a cualquier información disponible acerca de las variables de interés.
El Filtro Extendido de Kalman (EKF) es un algoritmo de procesamiento de datos, y como se trata de un programa de ordenador debe trabajar siguiendo un algoritmo [25], resumido en la Tabla 1-1, cuyo contenido se describe más detalladamente en la sección 2.3.3 del presente documento, basado en [26].
Tabla 1-1. Algoritmo general del EKF. Fuente: Autores
Algoritmo general del EKF
1. Inicializar la matriz de covarianza, el ruido del proceso y el ruido de medición.
𝑷𝟏𝒌, 𝑸𝟏, 𝑹𝟏
2. Actualizar el modelo.
𝒙𝒌 , 𝒚𝒌
3. Cálculo Jacobiano para el modelo.
𝑨𝑫𝒌, 𝑪𝑫𝒌
4. Actualización de la matriz de covarianza.
𝑷𝟏𝒌
5. Ganancia de Kalman.
𝑲𝒌
6. Actualización de mediciones.
𝒚𝒌 , 𝒙𝒌 , 𝑷𝟏𝒌
1.2 Antecedentes
14 García Nickson Molina Cristian
El proyecto descrito en [22] consiste en el desarrollo de un sistema de control de bajo y alto nivel de un robot móvil con tracción diferencial. Se llevó a cabo la implementación de los sistemas de comunicación entre el control de bajo nivel (microcontrolador) y el de alto nivel (Raspberry PI) así como el protocolo de comunicación entre ambos. Además, se realizó la programación necesaria para el funcionamiento de actuadores y sensores, todo esto utilizando el entorno de programación “Robot Operating System” (ROS). El autor dota su proyecto de un sistema de percepción compuesto por sensores ultrasónicos para medir distancias o detectar obstáculos, sensores de choque que se activan cuando son presionados en caso de fallo de los sensores de distancia, encoders para conocer la velocidad y posición del vehículo, una cámara de Raspberry para seguimiento de líneas o visión remota, y un escáner láser 2D Hokuyo para crear un mapa del entorno. Para el control de sus motores se utilizan dos drivers de potencia Picoborg Reverse, uno para cada motor, conectados a la Raspberry PI mediante comunicación I2C.
En [27] se utilizó una estructura donde se describen los componentes del sistema de control y se diseñó cada una de las tarjetas electrónicas. En este proyecto la tarjeta principal envía los datos sensados del análisis de las variables de temperatura, presión, humedad, luminosidad, inclinación a través de un acelerómetro, distancia a la tarjeta de mando, la cual permite el control inalámbrico del robot gracias a un sistema emisor-receptor RF de gran alcance para maniobrar el robot en una zona amplia. Sus principales elementos de percepción son los sensores de medición de parámetros ambientales, como el BMP085 que registra los cambios de temperatura y presión; el DHT11 que permite detectar la humedad y el acelerómetro GY-61 utilizado para medir la inclinación. También se describe el uso de conexión WiFi para la transmisión de vídeo. Se utiliza como microcontrolador el PIC16F877 en la tarjeta principal ensamblada a bordo del robot y un PIC18F4620 en la tarjeta de control inalámbrico. Para el monitoreo de todos estos datos medidos los autores utilizan una pantalla líquida gráfica monocromática de Displays GLCD con una lámina táctil para su interacción. Finalmente se describe una unidad de potencia compuesta por dos baterías recargables de Ni/Cd de 12V tanto en el robot como en la unidad de control inalámbrico, para un total de cuatro baterías.
comunicación para periféricos como I2C y SPI, o adquiriendo señales analógicas y digitales. Finalmente la tarjeta principal adquiere las señales de vídeo de las cámaras a través de los puertos USB, y envía toda la información recopilada para poder ser visualizada por el usuario.
1.3 Descripción del Problema y Justificación
El desarrollo de la robótica representa un significativo impacto en el crecimiento tecnológico de un país; naciones avanzadas en el campo como Alemania o Japón exportan este tipo de tecnología debido a su utilidad, y por tanto alta demanda. Así en el caso de Colombia, donde aún es necesario aumentar la inversión en investigación sobre este ámbito, podría permitirse en un futuro una dependencia menor a la importación de tecnología al poder desarrollar avances propios. Además, los robots móviles teledirigidos, semi-autónomos o autónomos, permiten la adquisición de datos en entornos de difícil o imposible acceso humano, minimizando la exposición de un individuo a los posibles peligros existentes en dichos entornos como pueden ser misiones de exploración espacial, sistemas de vigilancia y seguridad, manejo de explosivos, agricultura o transporte automático en áreas industriales [1], [28]. Cabe mencionar que, aunque el presente proyecto tenga fines meramente educativos e investigativos, contando con los medios necesarios, existe la posibilidad de convertirlo en un proyecto a mayor escala para ejecutar alguna de las aplicaciones mencionadas.
Según [1], la investigación asociada al campo de la robótica, específicamente a los móviles, ha adquirido gran relevancia, y aun a día de hoy, cuando se han logrado importantes avances, sigue siendo un tema de mucha investigación y gran interés. Los retos que enfrenta este campo para implementar materiales y esquemas de fabricación en estructuras físicas, aplicar estrategias para la comunicación de tele-operación en plataformas móviles y elaborar robots que puedan ser multifuncionales, mantienen una limitación en el desarrollo tecnológico.
16 García Nickson Molina Cristian
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo General
Desarrollar una plataforma robótica móvil terrestre que pueda ser operada de manera remota en desplazamiento y manipulación de carga, empleando Robotic Operating System ROS.
1.4.2 Objetivos Específicos
Estudiante 1: Cristian Giovanny Molina Hernández.
• Diseñar y construir un robot móvil terrestre no tripulado UGV en topología “skid-steering” en sus capas mecánica y electrónica.
• Desarrollar un control automático de velocidad angular sobre cada tracción lateral del robot, para mejorar los desplazamientos de traslación y giro del mismo.
Estudiante 2: Nickson Eduardo García Hernández.
• Establecer un sistema de comunicación remoto mediante una red Wireless entre el UGV y el piloto, de manera que se acceda a todos los elementos de percepción y se manipulen todos los elementos de acción del robot desde el centro de control.
• Estimar la trayectoria recorrida del robot a partir de odometría y unidad de medición inercial IMU.
1.5 Metodología
El alcance de los objetivos propuestos contempla una metodología divida en tres etapas o fases (Figura 1-8): 1) Diseño y construcción del robot; 2) Desarrollo de subsistemas de percepción, manipulación y comunicación, y 3) Validación experimental del desempeño del robot.
Etapa uno (1).
En la primera etapa, se estableció el hardware del robot explorador así como su estructura, topología, tipo de suspensión y materiales atendiendo los parámetros de diseño mecánico y electrónico. Para ello se inició por la selección de los componentes del chasis, incluyendo el elemento de manipulación de carga, estimando las masas de la estructura, motores y electrónica asociada. Con los elementos anteriormente mencionados fue posible empezar a concebir la estructura del robot.
masa, al mínimo posible, pues de ser muy elevado restaría agilidad al robot. Teniendo en cuenta estos detalles, para la mecánica del robot se realizó un chasis elaborado en materiales que poseen características de alta resistencia y a la vez baja densidad para reducir la exigencia de torque, y por tanto consumo energético a los motores DC, logrando así una mayor autonomía.
El diseño del robot hace uso de dos fuentes de alimentación para movilizar todos sus subsistemas. No obstante, no todos los dispositivos electrónicos operan con los mismos niveles de corriente y voltaje. Esto hizo necesario incluir elementos de acondicionamiento que garantizan los niveles correctos de energía según sea requerido. El propósito de utilizar dos fuentes de energía diferentes es dividir la alimentación del sistema en Potencia y Lógico o Control. Potencia comprende los niveles de voltajes y corrientes inyectados sobre los motores de tracción así como la energización del elemento de manipulación de carga, mientras que el lógico corresponde a la alimentación de sensores y demás periféricos.
De igual manera es comprensible que los elementos de control no tengan la capacidad de utilizar grandes densidades de corriente para operar los actuadores, por esta razón fueron incluidos drivers de potencia que gestionan la cantidad de energía aplicada a los elementos que requieren de mayor potencia.
Etapa dos (2).
Una vez finalizada la estructura tanto mecánica como electrónica de la plataforma se dio inicio a la segunda etapa, consistente en el desarrollo del software requerido para el correcto funcionamiento de los subsistemas de percepción, manipulación y comunicación del robot.
El subsistema de percepción está conformado por un conjunto de sensores que brindan al piloto información sobre el estado actual del robot y el entorno en el que se encuentra. Se enfocó en el desarrollo de un un algoritmo de control que regula las velocidades angulares de cada tracción lateral del robot utilizando encoders, de manera que el piloto desde su central de control navega con mayor facilidad el móvil, enviando las referencias de control digital desde un gamepad. Este controlador mejora los desplazamientos de traslación y giro del robot reduciendo posibles desviaciones y mejorando su desempeño ante inclinaciones y demás irregularidades del terreno.
Con el objetivo de que el piloto cuente con una percepción de profundidad, la cual no es posible obtener con la videocámara, se añadió al sistema un mecanismo de visión 3D gracias a un Kinect instalado en la plataforma móvil. Además, se desarrolló un algoritmo para la estimación de la posición del robot móvil, de manera que el piloto tenga una idea de la trayectoria ejecutada por el móvil gracias al procesamiento de las lecturas de los encoders y la IMU con un Filtro Extendido de Kalman.
18 García Nickson Molina Cristian
motores de tracción y el sistema de luces de apoyo para la navegación en entornos oscuros. Estos algoritmos también se encargan de extraer y analizar la información del gamepad para lograr la completa manipulación de la plataforma móvil a voluntad del piloto.
A fin de lograr los enlaces entre los subsistemas de percepción y manipulación se impuso un sistema de comunicación bidireccional entre los dispositivos a bordo del robot y el equipo desde el cual este es comandado por el piloto. Para llevar a cabo tal subsistema se desarrolló e implementó un protocolo de comunicación eficiente, reduciendo en lo posible la latencia. Dicho protocolo se basó en configuraciones de red propias de ROS. Puesto que estas configuraciones solo son funcionales en redes locales no permiten la comunicación a largas distancias, por tanto fue preciso la creación de una red virtual privada VPN, las cuales son capaces de conectar varios dispositivos como si se encontrasen físicamente en el mismo lugar mediante un túnel que enlaza todos los equipos conectados a ella.
Etapa tres (3).
Tan pronto como fue finalizada la construcción de la plataforma y establecidas sus capas de software de percepción, control y comunicación, se procedió a una validación experimental en diferentes entornos de navegación de espacios abiertos y cerrados, empleando un módem WiFi encargado de enlazar al robot a una red con acceso a internet, y a su vez con el piloto ubicado en diferentes rangos de distancias.
Figura 1-8. Metodología de desarrollo. Fuente: Autores
•
Diseño
•
Construcción
Fase I
•
Percepción
•
Manipulación
•
Comunicación
Fase II
•
Validación
experimental
Capítulo 2. Diseño del Alpha Rover
Esta sección aborda el desarrollo del prototipo del robot móvil denominado Alpha Rover. Dentro de dicho desarrollo se contempla el diseño electrónico y mecánico de la plataforma, al igual que el software del sistema, incluyendo el diseño de control de velocidad y trazado de trayectoria del rover. Se parte de un amplio estudio de las características del vehículo, no solo para el correcto desarrollo del proyecto, sino también para la evaluación de las posibilidades que la plataforma puede ofrecer. Con el objetivo de seguir un esquema ordenado se estudió, tanto desde el punto de vista mecánico y cinemático, como electrónico, la óptima ubicación de los elementos y periféricos a bordo. Para hacer una introducción más clara, la sección está dividida en tres segmentos: capa electrónica del sistema, capa mecánica del sistema y capa de software del sistema, cuyos requerimientos o parámetros de diseño principales se resumen en la Tabla 2-1, clasificados según la capa a la cual pertenezcan.
Tabla 2-1. Requerimientos de diseño del robot. Fuente: Autores
Requerimientos Definición Implementación
Mecánica
Modular
Los elementos que conforman
el prototipo son desmontables. Dispositivos desmontables. Robustez mecánica
Su construcción garantiza durabilidad y resistencia frente
al uso.
Uso de materiales livianos y resistentes.
Masa La plataforma no puede
superar una masa de 25 kg. 20 kg. Topología / Sistema de
traccion
Configuración de dirección utilizada Skid-steer.
Topologia a usar Skid steer / 6 ruedas.
Sistema de suspensión
Este sistema le brinda una alta estabilidad ya que absorbe de
manera eficiente todas las fuerzas externas ejercidas
sobre el UGV.
Suspensión Rocker-Bogie.
Interfaz de hardware amigable
Permite al usuario manipular el prototipo de forma intuitiva sin
dificultades.
Panel de control físico del sistema.
Actuador de manipulación El robot debe contar con un elemento manipulador que le
permita accionar botones o trasladar cargas sencillas. Tamaño
El área del robot no puede superar las medidas de 1m x 1m x 1m (largo x ancho x alto).
0.7m x 0.5m x 0.8m. Electrónica
Autonomía
El prototipo debe funcionar durante un límite de horas, hasta una nueva recarga.
3 h en movimiento sobre terrenos medianamente
irregulares.
Paro de emergencia El robot debe contar con un dispositivo de apagado de
emergencia en su hardware.
Iluminación El vehículo debe contar con un sistema de luces que le permita
operar en espacios de baja iluminación.
Instrumentación El móvil debe contar con periféricos que faciliten su manejo
22 García Nickson Molina Cristian
Requerimientos Definición Implementación
Software
Ejecución multitarea
El rover debe ejecutar sus diferentes funciones de operación al mismo tiempo.
La red de nodos de ROS permite esta función.
Acceso
En caso de requerir modificar el código fuente o los parámetros del robot, debe
poderse acceder remotamente.
El sistema permite accesos para depuración remota vía
SSH.
Modos de manejo
El prototipo debe contar con dos modos de operación: manual y semi-autónomo.
Las ayudas semi-autónomas se pueden activar o no, desde
el gamepad.
Manipulación El robot debe manipularse
desde una estación remota.
Implementación de una red virtual privada.
Control de velocidad
El sistema debe contar con un control de tracción que le permita avanzar a velocidades
constantes
independientemente de las irregularidades o inclinación
del terreno.
Controlador PID digital.
Elemento de manejo
El manejo del gamepad que opera el piloto debe ser intuitivo, permitiendo acceder a las diferentes funciones del robot
fácilmente.
2.1 Capa Electrónica del Sistema
Figura 2-1. Diagrama pictórico del sistema electrónico. Fuente: Autores
2.1.1 Selección de Componentes para la Capa Electrónica
Para el correcto funcionamiento del robot móvil, son necesarios ciertos componentes comunes en todos los tipos de robótica como lo son: los motores que permiten el movimiento del robot, los sensores que proporcionan la retroalimentación necesaria para conocer su entorno y estado, las baterías que son la fuente de energía portátil que se ha venido empleando para dispositivos que requieren movilidad, y finalmente sus circuitos electrónicos, que se diseñan a partir de ciertos requisitos según la selección de cada componente del prototipo construido.
A continuación se presenta la selección de elementos como motores, ruedas, sensores, convertidores y sistema de alimentación:
24 García Nickson Molina Cristian
de un alto torque y adicional a esto son más sencillos de instrumentar. A esto se añade una muy buena relación entre coste, dimensiones, peso, potencia, eficiencia y cierto control dentro de los rangos de velocidades a los que serán sometidos, de ahí que se eligiesen los motores DC. En la Tabla 2-2 se puede observar una relación entre las características principales de los motores anteriormente detallados.
Tabla 2-2. Características principales de las opciones de actuadores a implementar. Fuente: Autores
Se selecciona el Motor DC (Corriente Directa) debido a que ofrece las prestaciones suficientes para este tipo de robot. Para superar sus limitaciones, como lo son las bajas velocidades y el desconocimiento del valor de las mismas, se acoplan a estos unos pequeños engranajes reductores a la salida, lo cual ofrecerá un mayor par y un mejor control a bajas velocidades. Además, se añaden codificadores incrementales o encoders, que ayudarán a conocer la velocidad de cada una de las ruedas y posición del robot gracias a los cálculos odométricos.
Considerando lo anterior para la elección del motor, se debe tener en cuenta tres aspectos fundamentales como son: la velocidad, el par y la eficiencia energética del tipo de motor, al igual que la potencia necesaria para mover toda la estructura. A continuación se realizarán los cálculos pertinentes para saber que par debe suministrar cada motor: 1. Inicialmente se estima la masa total de los componentes que conforman la plataforma
móvil, además de algunos componentes extra que podrían ser necesarios en aplicaciones futuras. Así se obtiene una masa total de:
𝑀𝑡 = 𝑀𝑒 + 𝑀𝑚 = 4.2𝑘𝑔 + 16𝑘𝑔
𝑀𝑡 = 20.2 𝑘𝑔
2. Se toman ciertos parámetros de diseño en el modelo de la plataforma móvil como, eficiencia de las cajas reductoras, número de ruedas motrices, radio de ruedas, los dos últimos parámetros hacen parte del diseño mecánico expuesto en la sección 2.2. • Eficiencia de las reductoras:
η = 0.8 • Número de ruedas motrices:
n = 6 • Radio de ruedas motrices:
r = 0.0725m
3. Teniendo en cuenta que la masa podría variar en el proceso de construcción de la plataforma móvil, se consideró un margen de seguridad del 80 %, es decir, se dividió la masa total entre 0.8 para obtener una nueva 𝑚𝑡 que será la considerada en la selección de torque del motor. Así la masa de seguridad:
𝑀𝑡 ≈ 25 𝑘𝑔
4. Considerando que en las aplicaciones móviles terrestres de exploración se requiere velocidades menores a 1 m/s, se escogieron los siguientes parámetros iniciales: • Velocidad esperada (V): se ha decidido establecerla en 0.8 𝑚
s
• Aceleración esperada (a): fijada en 0.5 𝑚
𝑠2
• Posible pendiente a superar (𝛼): de unos 30𝑜
La velocidad de un motor siempre se refiere a la velocidad angular de su eje de giro y en el Sistema Internacional (SI) viene dada en rad/s aunque hay otra unidad de uso muy frecuente en los motores que es en revoluciones por minuto (rpm).
5. A continuación, con los parámetros que se disponen se calcula la velocidad angular que proporcionarán los motores para mover al prototipo:
𝑇 = 𝑟 ∗ F (2-1)
𝑉𝑙 = 𝑤 ∗ 𝑟 (2-2)
26 García Nickson Molina Cristian
𝑤 =𝑉𝑙 𝑟
𝑤 = 0.8
𝑚 𝑠 0.0725 𝑚
𝑤 = 11𝑟𝑎𝑑 𝑠
Para realizar la selección del motor en el parámetro de velocidad angular en la tabla (2-2) de comparaciones, se hizo una conversión de unidades (radianes por segundo a RPM), por lo tanto:
𝑤 = 11𝑟𝑎𝑑 𝑠 ∗
60 2 ∗ 𝜋
𝑤 = 105 𝑅𝑃𝑀
6. A continuación, se relaciona la fuerza que deben ejercer los motores en función del peso del robot y la velocidad máxima deseada. Para ello, se pasará a calcular el par motor o torque necesario con (2-3) dónde:
𝐹 = (𝑀𝑡 ∗ 𝑔 ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝛼) + 𝑀𝑡 ∗ 𝑎) 𝐹𝑆
( 2-3)
𝐹 = 108 𝑁
0.7 = 154 𝑁
𝑇 = 0.0725 m ∗ 154 N
𝑇 = 11.18 𝑁. 𝑚
Teniendo en cuenta topología Skid-Steering del robot, la cual cuenta con 6 ruedas acopladas con un motor independiente para cada una, de forma que el torque que deberá desarrollar el rover será dividido en el número de ruedas motrices del mismo:
𝑇 =7.569 𝑁. 𝑚
6 = 1.267 𝑁. 𝑚 ≂ 1.3 𝑁. 𝑚
En (2-3) F representa la fuerza del motor en Newton, g fuerza de atracción o gravedad, 𝛼 ángulo de inclinación del terreno, 𝑎 es aceleración lineal del robot y FS es el factor de seguridad que indica la capacidad en exceso que tiene el sistema por sobre sus requerimientos.Teniendo en cuenta que robot cuenta con 6 ruedas acopladas con un motor independiente para cada una, de forma que el torque que deberá desarrollar el Rover será dividido en el número de ruedas motrices del mismo: 7. Finalmente, se calcula la potencia que deben desarrollar los motores (2-4), del torque
𝑃 =𝑇 ∗ 𝑤 ղ
(2-4)
𝑃 =1.8 ∗
6.8𝑟𝑎𝑑 𝑠 0.8
𝑃 = 16,1 𝑊
El cálculo de los requisitos de potencia se utiliza a menudo como un paso preliminar en la selección de motor. Si se conoce la potencia mecánica requerida para una aplicación determinada, se pueden examinar las clasificaciones de potencia máxima o continua de varios motores para determinar cuáles son posibles candidatos para su uso en la aplicación. Para cumplir las especificaciones indicadas teniendo en cuenta posibles inclinaciones de 30 grados serán necesarios motores con una potencia de aproximadamente 16W. En las Tablas 2-3 y 2-4 se ilustran los parámetros para selección de los motores.
Tabla 2-3. Comparación de características de diferentes motores DC. Fuente: Autores
M o d e lo F a b ri c a n te T ra n s m is ió n M a x . E ff V e lo c id a d N o m in a l [r p m ] T o rq u e S ta ll N -m C o rr ie n te N o m in a l [A ] M a s a [ g ] V o lt a je N o m in a l C o s to U S D [$ ] 37Dx7
3L Pololu SI 80% 100 1.55 0.3 190
12
VDC 35
RE35 Maxon
Motors NO 89% 7160 0.85 4.45 385
24
VDC 330
37D52 Maxon
Motors NO 84% 7070 0.71 3.36 340
24
VDC 360
DCX22 L
Maxon
Motors SI 82% 955 1.27 0.211 90
12
VDC 115
Tabla 2-4. Matriz de selección para motores del robot. Fuente: Autores
Modelo Consumo energético (20%) Velocidad Angular (20%) Torque (30%) Masa (10%) Costo
(20%) TOTAL
37Dx73L 4 4.2 4.5 4 5 4.4
RE35 4 2 2 3 2 2.6
37D52 4 2.5 3 3.5 2 3.2
DCX22L 3.8 3 3.5 4.5 3.8 3.72
28 García Nickson Molina Cristian
Figura 2-2. Motor DC seleccionado para el robot. Fuente: www.pololu.com
• Selección de tarjeta de control principal: Esta etapa constituye el cerebro o inteligencia del robot, puede elaborarse con la combinación de diferentes microprocesadores y micro controladores. Actualmente se usan tecnologías embebidas como los Arduino, Raspberry PI o FPGA’s, lo ideal aquí es utilizar una de estas tarjetas, que cumpla con las características de capacidad (puertos, memoria), velocidad de procesamiento, bajo consumo de energía y facilidad de implementación. No obstante, adicional al sistema lógico es necesario emplear unidades de acondicionamiento que en función de las señales de control enviadas desde la unidad de control, genere una acción con la potencia necesaria para accionar los actuadores. Los parámetros para su elección se tratarán en las Tablas 2-5 y 2-6.
Tabla 2-5. Matriz de selección de la tarjeta de control principal. Fuente: Autores
Dispositivos / % Jetson TK1 BeagleBone Blue Raspberry Pi 3 B
Alimentación
(5%) 12 V
Nota
5 V
Nota
5 V
Nota
5.0 3.5 3.5
Numero Cores
(10%) 4
5.0
4 5.0 4 5.0
RAM
(10%) 2 GB 4.0 512 MB 2 1 GB 3.5
Memoria
(15%) 16 GB 4.5 4GB 3.5 Micro SD 0.0
CPU
(10%) 2.32 GHz 5.0 1 GHz 3.0 1.2 GHz 3.5
Dimensiones (5%)
12.7 x 12.7
x2.5 cm 2.0
9.5 x 5.3 x 1.5
cm 4.0 8.6 x 5.6 x 1.7 cm 4.5 GPIOS
(15%) 8 4.0 8 4.0 17 5.0
Consumo
(5%) 900 mA 5.0 1350 mA 3.5 1400 mA 1.0
Masa
(5%) 499 gr 1.0 110 gr 4.0 45 gr 5.0
Costo USD
(20%) $ 199 3.5 $148 4.0 $35 5.0
TOTAL
En el mercado se puede encontrar una gran variedad de plataformas de alto rendimiento y bajo consumo energético, estas han sido implementadas en distintas aplicaciones de forma eficiente como la plataforma Jetson TK1 desarrollada por Nvidia, que integra un procesador ARM Córtex de cuatro núcleos y una GPU (Unidad de Procesamiento Gráfico) de alto rendimiento que destaca sobre otras plataformas basadas en procesadores, debido a que representa un balance entre costo en el mercado, rendimiento y consumo energético, la plataforma Jetson TK1 es mucho más viable que otras basadas en FPGA de alta gama.
Esta plataforma constituye la alternativa más idónea para la implementación y ejecución de la programación en paralelo utilizando la GPU frente a la programación convencional con el procesador CPU. Así, durante el desarrollo de este trabajo, se han ejecutado diversos algoritmos en la tarjeta, para evaluar las limitaciones y propiedades de la misma. A continuación se muestra la matriz de selección para el dispositivo controlador de potencia. Se hace un análisis de las características de los drivers de potencia más utilizados en aplicaciones robóticas y se valoran sus características de desempeño, para elegir el más adecuado.
Tabla 2-6. Matriz de selección de driver de potencia para motores. Fuente: Autores Referencia
/ %
RoboClaw 2x15A Pololu Dual
VNH5019 RoboteQ MDC2460
Frecuencia de Operación
(5%)
Hasta 50 kHz
Nota
20 kHz
Nota
Hasta 50 kHz Nota
5.0 2.5 5.0
Corriente Máxima
(25%) 15 A 3.5 30 A 4 60 A 5.0
Protecciones (10%)
Térmica, por sobrevoltaje y
por sobre corriente
5.0 Por corriente 3.5
Térmica, por sobrevoltaje y por
sobre corriente 5.0 Tamaño
(20%) 7 x 5 x1.7 cm 4.5
6.4 x 5.1 x
0.96 cm 5.0 14 x 14 x 25 cm 0.5 Encoders
(5%) Cuadratura 5.0 NO 0.0 Cuadratura 5.0
Comunicación (5%)
Análoga, RS232, PWM,
RC Pulse y USB
5.0 PWM 3.5
Análoga, RS232, PWM, RC Pulse y
USB
5.0 Peso
(20%) 61 gr 4.0 18 gr 5.0 400 gr 0.5
Costo USD
(10%) $ 155 3.5 $45 5.0 $ 360 0.5
TOTAL
4.2 3 3.3
30 García Nickson Molina Cristian
que cuenta con los niveles de corriente y voltaje requeridos y un tamaño y peso reducidos.
• Selección de convertidores DC-DC: Los aspectos a considerar para la selección de convertidores DC-DC son los siguientes, inicialmente se debe tomar en cuenta que se utilizan dos fuentes de energía diferentes para dividir la alimentación del sistema en Potencia y Lógico: La primera línea de alimentación corresponde a los niveles de voltajes y corrientes sobre los motores de tracción y elementos de manipulación de carga, esto se conoce como potencia; la parte lógica corresponde a la alimentación de la tarjeta de control, sensores y demás periféricos. Con estas características, se incluye el uso de conversores DC–DC regulables, debido a que todos los dispositivos electrónicos no operan con los mismos niveles de corriente y voltaje. Esto hace necesario incluir elementos de acondicionamiento que garanticen los niveles correctos de energía según sea requerido.
Tabla 2-7. Matriz de selección de convertidores DC-DC. Fuente: Autores
Referencia DROK 90483 DC OSKJ -UC3844
Voltaje de entrada / salida (5%)
5 – 40 VDC 1.2 – 36 VDC
Nota 10 – 32 VDC
5 – 30 VDC
Nota
5.0 4.0
Corriente de salida
(25%) 8 A / 12 A MAX 4.0 5A / 16 A MAX 4.5
Potencia (10%) 100W 200W con disipación 5.0 80W 120W con disipación 3.5 Eficiencia
(20%) 95 % 5.0 90 % 4.0
Tamaño
(5%) 6.0 x 4.3 x 2 cm 5.0 6.5 x 4.7 x 2.35 cm 3.5
Protección a cortocircuitos
(5%) SI 5.0 NO 0.0
Peso
(20%) 51 gr 4.5 66 gr 3.5
Costo
(10%) $ 11.8 3.0 $10,85 4.5
TOTAL
4.56 3.4
Ofrece 6 Amperios de intensidad, lo cual se considera suficiente ya que los mayores consumos residen en el driver de servomotores (1250mA Max) y el módulo de relés (200mA Max).
Por otro lado, se utiliza un convertidor DC-DC de 6A en la línea lógica con las mismas características, no obstante este será el encargado de regular el voltaje a 12 VDC para la tarjeta Jetson TK1 (800mA), Hub USB 9 puertos con alimentación externa (2650 mA ). Como resultado de la matriz de selección presentada en la Tabla 2-7, se eligió convertidor DC-DC DROK 90483 Regulador de voltaje Buck.
• Selección de las baterías: Las baterías son la fuente de energía portátil que se ha venido empleando para dispositivos que requieren movilidad, y en el caso de este prototipo en particular no es la excepción. Para la elección de estas además de la tensión de la batería, se tomaron en cuenta la corriente en amperes por hora que podrían proporcionar. Se requiere de 12V y una corriente máxima 1.33 Amp para cada motor en casos de máxima exigencia, así se optó por usar dos baterías recargables de 12V y 6 Amp/hora disponibles comercialmente, ya que estas permiten un manejo adecuado de la potencia requerida por los motores y una mayor autonomía, con el único inconveniente del peso de cada una de ellas, pero como ya había sido considerado este aspecto para la elección de motores, no representa ningún problema. Aunque en el mercado existen muchos tipos de baterías recargables, es necesario tener en cuenta la eficiencia de estas, la capacidad de corriente (mAh) y el peso. Las más usadas son las baterías tipo LiPo (abreviatura de Polímero de Litio), que tienen las siguientes características:
• Son ligeras y se pueden hacer de casi cualquier forma y tamaño.
• Tienen gran capacidad y densidad energética, lo que significa que tienen mucha energía en un tamaño reducido.
• Tienen una tasa de descarga alta para alimentar los sistemas eléctricos más exigentes.
A continuación, se determina el consumo de cada subsistema del Rover en condiciones extremas:
o Corriente de convertidor DC – DC: 0.15 A, Voltaje de convertidor DC-DC: 5
VDC
𝑃𝑐 = 𝐼𝑐 ∗ 𝑉𝑐 𝑃𝑐 = 0.15𝐴 ∗ 5𝑉 = 0.75 𝑊
Donde Pc es la potencia o consumo energético del convertidor DC-DC, Ic corriente del convertido y Vc es el voltaje ajustable del convertidor.
o Corriente de tarjeta control Jetson TK1: 0.8 A, Voltaje de tarjeta de control: 12
VDC
