DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN ROBOT MOVIL CONTROLADO
CON CHIP ADN EN FPGA
D. Vargas
+, D. Perlaza
+, A. Delgado
*+ Estudiantes, * Profesor Asociado
{dcvargasa, daperlazag}@unal.edu.co, adelgado@ieee.org
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Universidad Nacional de Colombia, Bogotá
RESUMENEste artículo presenta una aplicación de los chips ADN emulados electrónicamente en FPGA. El chip ADN emulado se utiliza para controlar un robot móvil que navega evitando obstáculos, la máquina cuenta con cuatro sensores y dos servomotores.
1. INTRODUCCION
La robótica es un campo de gran importancia dentro de la tecnología moderna. El buen entendimiento y el desarrollo de nuevas aplicaciones en robótica implican la integración de diversas disciplinas, entre las que se destacan la Ingeniería Electrónica, la Ingeniería Mecánica y la Ingeniería de Sistemas [1], algunos han propuesto una nueva disciplina con está integración llamada Ingeniería Mecatrónica.
Generalmente, los robots móviles son clasificados dentro de alguna de las categorías de la figura 1.
Fig. 1.-Clasificación de los robots móviles.
Por otra parte, la necesidad de una tecnología que permita un procesamiento masivo de información hace que se mezclen áreas de estudio tan diversas como la biología y la electrónica, beneficiándose la biología de la velocidad de procesamiento de la electrónica, y la
electrónica de una valiosa ampliación en su campo de aplicaciones llegando a generar nuevos modelos bioinspirados.
En los organismos multicelulares la característica más impresionante es que cada célula contiene la descripción completa del organismo (genoma) en su ADN. Como consecuencia, una célula puede potencialmente asumir cualquiera de las funciones del organismo.
Es por esto que a partir del estudio de la célula de un organismo y específicamente de su ADN, el cual contiene la información que lo caracteriza, se ha propuesto un chip electrónico de ADN que se basa en la emulación del chip ADN biológico, adaptándolo de tal forma que cumple su papel de memoria asociativa.
Este tipo de funcionamiento es el que nos permite, en este artículo, generar una aplicación práctica del chip de ADN en sistemas mecatrónicos como los robots móviles. En particular el chip ADN emulado electrónicamente opera como memoria asociativa tomando las lecturas de los sensores y generando comportamientos para un robot móvil.
El objetivo de este artículo es mostrar el desarrollo de un robot móvil, terrestre con ruedas, diseñado para evadir obstáculos de acuerdo a una base de reglas implementadas en un chip ADN emulado en un FPGA.
El articulo se divide en cinco secciones. En la primera se describe la estructura física del robot construido, en la segunda se presenta el esquema general de control electrónico. La tercera sección muestra el funcionamiento de los sensores de proximidad infrarrojos utilizados para la detección de obstáculos en la trayectoria del robot, la cuarta describe brevemente el principio de operación de los chips ADN biológicos y la forma como fueron emulados electrónicamente en un FPGA. En la última sección se muestra el control de los servomotores, los cuales proveen la tracción para el movimiento del robot.
2. DESCRIPCION DE LA ESTRUCTURA MECANICA
El sistema de control electrónico consta de los siguientes elementos :
Cuatro sensores de proximidad infrarrojos los cuales detectan la presencia de obstáculos.
La estructura mecánica del robot consta de dos plataformas circulares en acrílico transparente de espesor 3mm y diámetro 16cm. La primera plataforma constituye la base del robot y sirve de soporte para los dos servomotores, la batería y la tarjeta electrónica que contiene los sensores. La segunda plataforma es sostenida por tres varillas en aluminio de 8cm de largo y es utilizada para colocar la tarjeta electrónica principal.
Un chip ADN emulado en un FPGA el cuál recibe las señales suministradas por los sensores y genera el comportamiento que debe ejecutar el robot.
Un módulo de control PWM (modulación por ancho de pulso), también implementado sobre el FPGA, que se encarga de generar las señales de control para cada uno de los dos servomotores a partir del comportamiento producido en el chip ADN.
Debido a la necesidad de tener una buena movilidad sobre la superficie en la que se desplaza el robot, se utiliza un sistema con dos ruedas motorizadas a cada lado de la placa inferior, accionadas por dos servomotores, y una
rueda libre de apoyo en la parte trasera. Un sistema codificador que permite conocer la posición de las ruedas.
4. SENSORES DE PROXIMIDAD INFRARROJOS
Para determinar la presencia de obstáculos frente al robot se construyó un conjunto de cuatro sensores infrarrojos conformados por un diodo y un fototransistor.
El funcionamiento del circuito se basa en emitir a través del diodo una ráfaga de señales luminosas infrarrojas las cuales al rebotar contra un objeto cercano se reciben por el fototransistor. Al ser recibidas el sistema detecta proximidad y envía un nivel lógico bajo.
Para evitar que la radiación infrarroja del ambiente interfiera con el desempeño de los sensores se utilizó un generador - decodificador de tonos, el cual produce un tren de pulsos que es enviado al diodo infrarrojo y sirve como filtro y decodificador para la señal recibida por el fototransistor.
Fig. 2.- Estructura física del robot, note los servomotores, las ruedas y el codificador.
La figura 4 muestra la disposición de los cuatro sensores en el robot (S1 y S2 están localizados a diferentes
alturas), la cual garantiza la detección de obstáculos que se encuentren en la trayectoria del robot.
3. DISEÑO ELECTRONICO DEL SISTEMA DE CONTROL DEL ROBOT
Para que el robot desempeñe adecuadamente la función de evadir obstáculos se diseñó e implementó el sistema de control electrónico que se muestra en la figura 3.
Fig. 4.- Disposición de los sensores de proximidad. Fig.3.- Diagrama de bloques general. Se realizaron pruebas de laboratorio para determinar
colores, obteniendo los resultados que se muestran en la Tabla I. Note que la reflectividad de una superficie blanca permite alcanzar mayor distancia con el sensor.
TABLA I. Distancia de detección de obstáculos
COLOR DISTANCIA [cm.] Blanco 19 Azul claro 18 Rojo 16 Rosado 16 Amarillo 15 Azul oscuro 14 Verde 13 Negro 12 Gris 10 5. CHIP ADN
Un chip de ADN es un arreglo de cadenas naturales sencillas de ADN fijas a un sustrato sólido como vidrio o silicio. Cada sitio del arreglo contiene miles de estas cadenas de prueba con la misma secuencia, la secuencia entre sitios cambia. Cuando el arreglo se fabrica sintetizando las cadenas de ADN con un procedimiento similar a la fotolitografía el dispositivo final se denomina chip ADN.
Después de fabricado el chip se incuba con cadenas sencillas de ADN marcadas con un químico fluorescente denominadas cadenas blanco, si dos cadenas son complementarias en el sentido Watson - Crick se forma una hélice de ADN fluorescente fija al sustrato. Es importante recordar que las bases A - T y C - G se unen con enlaces de hidrógeno de manera natural, esto se conoce como el complemento Watson - Crick. El proceso mediante el cual dos cadenas de ADN complementarias se unen formando una hélice o cadena doble denomina hibridación.
Finalizado el tiempo de incubación se detectan las hélices de ADN con un escáner que utiliza luz UV para excitar el químico fluorescente. Los puntos brillantes en el sustrato ponen en evidencia las cadenas blanco existentes en la muestra y su secuencia es conocida pues es única para cada punto del arreglo [2].
En sistemas de control y aplicaciones de robótica móvil, los chips ADN han sido propuestos como una plataforma para almacenar y evaluar reglas que definen el comportamiento de sistemas basados en conocimiento [3]. La principal ventaja de utilizar ADN es su paralelismo y la desventaja es el tiempo de incubación combinado con el manejo de reactivos.
Aprovechando la capacidad de operación en paralelo de los FPGAs, se emuló el principio de operación del chip
ADN biológico [4] para la implementación de la base de reglas que rigen el comportamiento del robot ante la presencia de obstáculos en su entorno.
En la figura 5 se presenta el esquema bajo el cual se emuló el chip ADN. El registro sensores corresponde al conjunto de señales provenientes de los sensores IR y es análogo a las cadenas blanco del chip biológico, los registros prueba corresponden a las cadenas de prueba y permiten realizar la hibridación, XOR, con el registro de entrada. A los resultados generados por la función XOR se aplica la función AND, si se produce un estado lógico alto ha ocurrido la hibridación y se activa una bandera.
Fig. 5.- Emulación del chip ADN.
Las dieciséis banderas 24 son codificadas por un
bloque adicional el cual se encarga de generar las señales mot1 y mot2 que representan los cuatro comportamientos que el robot debe desempeñar : adelante, atrás-giro-adelante, giro izquierda-atrás-giro-adelante, giro derecha-adelante.
El chip ADN emulado se implementó en el programa XILINX ISE 6.1 a partir del diagrama de entradas – salidas mostrado en la figura 6.
Fig. 7.- Simulación del chip ADN. La simulación se realizó en el programa MODELSIM v
5.7c y se obtuvieron los resultados presentados en la figura 7, en la cual se observan las señales mot1 y mot2 para todas las combinaciones posibles de las señales de los sensores.
6. CONTROL DE LOS SERVOMOTORES
Los servomotores son un tipo especial de motor que se caracterizan por su capacidad para ubicarse de forma inmediata en cualquier posición dentro de su rango de operación. Están generalmente formados por un amplificador, un motor, la caja reductora y la realimentación. El resultado es un servo de posición con un margen de operación de 180° aproximadamente.
La posición deseada se le da al servomotor por medio de pulsos (señales PWM). Todo el tiempo debe haber una señal de pulsos presente en la entrada del servomotor, de este modo, si existe alguna fuerza que le obligue a abandonar esta posición, intentará resistirse.
Fig. 8.- Sistema codificador en una rueda.
Por último se presenta la simulación del sistema de control electrónico del robot en base al diagrama de bloques general de la figura 3.
La figura 9 muestra cuatro distintas condiciones de los sensores de proximidad y las señales de control de cada motor ante la presencia de obstáculos en el entorno del robot, note cómo cambian los anchos de los pulsos alterando el sentido de giro de los motores y su velocidad. Para controlar los servomotores se creó un bloque
dentro del FPGA que se encarga de producir la señal PWM para cada motor, de acuerdo al comportamiento indicado por el chip ADN.
Adicionalmente, se construyó un sistema de encoder acoplado a una de las ruedas del robot, como se muestra en la figura 8, que permite que éstas avancen una serie de pasos y no un intervalo de tiempo, con lo cual se puede controlar el desplazamiento del robot.
La complejidad de las tareas realizadas por el robot se puede incrementar al agregar más sensores sin afectar el desempeño, el chip ADN detecta los patrones de entrada, en paralelo, y activa los comportamientos correspondientes.
Debido a que el sistema de giro del robot es diferencial, en un giro del robot cada rueda gira en sentido opuesto con la misma velocidad, se pueden controlar los ángulos de giro a partir del conteo de los pulsos que envía el codificador.
El chip ADN actúa como memoria asociativa proyectando las lecturas de los sensores a comportamientos.
Fig. 9.- Simulación del sistema de control del robot. En la figura 10 se aprecia la versión final del robot
móvil así como el hardware utilizado para su control. La tarjeta ubicada en la parte superior contiene un FPGA XC2S50 de la familia Spartan II fabricada por Xilinx, así como los reguladores de voltaje para su alimentación y la interfaz para su programación utilizando el protocolo JTAG. La tarjeta en la parte interior del robot contiene los circuitos de los sensores de proximidad y la parte de acondicionamiento de señal para los sensores y los servomotores. En la parte frontal se observan los cuatro sensores de proximidad IR.
Fig. 10.- Versión final del robot móvil.
La arquitectura planteada en el presente artículo mejora ciertos aspectos del trabajo realizado en [4] como son : (i.) lograr independencia del robot móvil ya que no requiere de hardware o software externos para realizar su función, (ii.) utiliza sensores de proximidad cuya salida es digital lo que permite incrementar su número, mejorando la inspección del entorno del robot y aumentando el número de comportamientos que puede realizar, aprovechando de una mejor forma las características de los chips ADN, (iii.) el sistema de codificador en la rueda
mejora sustancialmente la ejecución de los movimientos del robot, haciéndolos más ordenados.
7. CONCLUSIONES
Los robots móviles facilitan al diseñador el explorar una gran variedad de sistemas de control que dependen de las necesidades y requerimientos de la aplicación.
Los chips ADN y su emulación electrónica en FPGA permiten el almacenamiento y evaluación de bases de reglas con un gran número de variables de entrada; ofreciendo ventajas como la capacidad de operación en paralelo y velocidad de procesamiento de la información.
En este artículo se mostró un método para emular el chip ADN con FPGA y su aplicación al control de navegación de un robot móvil que evade obstáculos en un espacio determinado. La simulación y posterior implementación han demostrado el principio de operación y sus ventajas frente a sistemas de control de tipo secuencial, como la disminución del tiempo en la evaluación de las señales enviadas por los sensores y de las reglas que definen comportamiento del robot.
8. REFERENCIAS
[1] Kelly, R. y Santibáñez, V., Control de movimiento de robots manipuladores, Prentice Hall, Madrid, 2003.
[2] A. Delgado: “DNA chips as lookup tables for rule based systems,” IEE Computing and Control Engineering Journal, vol 13, pp. 113-119, 2002.
[3] A. Delgado: “Robot controller using electronic DNA chip,” II Congreso Internacional en Ingeniería Eléctrica y Electrónica CIIEE, Bogotá – Colombia, marzo 24 -28, 2003.
[4] J. Sepúlveda, C. Camargo y A. Delgado: “Implementación de chip ADN en FPGA,” X Iberchip, Cartagena – Colombia, Marzo 10 - 12, 2004.
