ROBOT SUMO CONTROLADO POR RADIOCONTROL

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1 Segundo Congreso Virtual, Microcontroladores y sus Aplicaciones ROBOT SUMO CONTROLADO POR RADIOCONTROL Emilio D Olivo; Marcos Privitera Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Francisco Electrónica- Grupo de Investigación y Desarrollo Electrónica G.I.D.E Docente a cargo: Mg. Esp. Ing. Peretti Gastón San Francisco Córdoba - Argentina Correo-e: emilio.dolivo@frsfco.utn.edu.ar; marcosprivitera@live.com.ar Área temática: ROBOTICA Palabras claves: Robot sumo, Radiofrecuencia, Infrarrojo, Codificador. RESUMEN El siguiente proyecto fue realizado para cumplir con las expectativas que exige la cátedra Técnicas Digitales III de dicha Universidad, y como una oportunidad de experiencia relacionada con los sistemas de control automático. En él se trata sobre la electrónica necesaria para la construcción de un robot SUMO, el cual puede ser controlado por medio de un radiocontrol o de forma automática. El proyecto se divide en dos secciones principales, el RECEPTOR que es el robot propiamente dicho y el EMISOR que es el radiocontrol del robot. 1 Introducción Los robots son máquinas en las que se integran componentes mecánicos, eléctricos, electrónicos y de comunicaciones, los cuales captan nuestra atención ya que pueden ser desarrollados para aplicaciones tales como exploración de volcanes, viajes espaciales, catástrofes naturales entre otros. En este proyecto se realiza la construcción de un robot sencillo que puede ser controlado por medio de un radiocontrol y al mismo tiempo que cumpla con las exigencias para la participación en la competencia de robótica. A continuación se describirán sus principales características. 2 RECEPTOR El receptor es el robot propiamente dicho y consta de los siguientes módulos principales: Etapa de potencia, encargada del control de los motores de corriente continua, una etapa de sensores la que cumple la función de guiar al robot, una etapa de radiofrecuencia. 2.1 Etapa de recepción de radiofrecuencia La etapa de radiofrecuencia está constituida principalmente por un modulo de la empresa LAIPAC TECH, RLP434A [7], el cual funciona con modulación ASK, trabajando a una frecuencia de Congreso 2010, Página 1 433,9 MHz. En la Fig. 1 puede verse una conexión típica. Con la implementación de este modulo fue necesario utilizar un decodificador, para eliminar el ruido. El circuito utilizado fue el HT12D. Este integrado codifica y decodifica una palabra de 12 bits, compuesta por una dirección de 8 bits y una sección de datos de 4 bits. Con esta cantidad de bits se pueden comandar 256 dispositivos diferentes, enviándoles hasta 16 comandos distintos a cada uno. Lo que hay que tener en cuenta es que tanto el codificador y el decodificador, deben tener ambos la misma dirección, que es seleccionada por los 8 bits. Las características más importantes del decodificador son: Compara la información serial 3 veces El oscilador solo necesita una resistencia Pin de ON/OFF VT Nuestra experiencia con el modulo de RF fue muy buena ya que nos permitió una enlace de 50 mts con un bajo costo de desarrollo. Por otro lado, una de las desventajas que presenta es que es un módulo unidireccional y resulta difícil la realización de una antena adecuada. Sus características son: Tensión de alimentación 3.3-6V

2 Salida digital y analógica Figura 1. Circuito típico receptor de RF 3,0 V y 5,0 V con TTL / CMOS lógica de entrada compatible En la Fig. 3 puede verse su conexionado típico y en la Fig. 4 se muestra el diagrama de características Figura 3. Circuito de control de motores de CC Figura 2. Receptor de radiofrecuencia Figura 4. Características del MC Etapa de potencia Es la encargada del control de los motores de CC, fue implementada con circuitos integrados de la empresa Freescale Semiconductor, específicamente con los MC33931 [6]. Algunas de sus características son: Es capaz de controlar cargas inductivas con corrientes de hasta 5 A pico Sistema de protección que limita picos de corriente por encima de 6.5 A ± 1,5 A Permite el uso de PWM hasta 11 khz Proporciona una realimentación de corriente adecuada para el uso con A/D en microcontroladores Proporciona informes de insuficiencia de voltaje, sobrecarga de corriente, y condiciones de sobre temperatura por medio del estado de un Flag Funcionamiento con motores desde 8V hasta 28V en forma continua (operaciones transitorias de 5V a 40V) 2.3 Etapa de sensores Consta por un lado, con la implementación de 4 SNY70 [2]. Se trata de uno de los sensores más utilizados en microbótica, dada su economía y sus variadas aplicaciones prácticas. Generalmente se utiliza cuando se desea que el robot móvil siga un camino marcado en el suelo. Su funcionamiento es muy sencillo. En el interior de la capsula existe un diodo emisor LED que emite rayos infrarrojos y un fototransistor que conduce corriente proporcional a la cantidad de luz que incide sobre la base. En la Fig. 5 se muestra en detalles el sensor, y el circuito de conexionado eléctrico se muestra la Fig. 6. Como se aprecia en la figura sólo requiere un par de resistencias para la polarización del emisor y del receptor, y una puerta inversora que convierta la 2

3 Segundo Congreso Virtual, Microcontroladores y sus Aplicaciones señal al nivel TTL. Sus características más importantes son: Distancia de censado máxima 0.3 mm d obtener un enlace de 2 mts, aunque después de muchas pruebas se decidió reducir la distancia a 0,5 mts porque era más estable. Las características más importantes son: Longitud de onda de funcionamiento de 950 nm Tensión de alimentación 5V Figura 5. Características del SNY70 Potencia disipada 150 mw Máxima corriente de operación 100 ma Posee filtro para minimizar el efecto de interferencias de rayos ultravioletas Angulo típico de funcionamiento de 23 Ancho de pulso menor o igual a 100 us En la Fig. 7 se muestra el patrón de radiación típico de este LED. Figura 7. Patrón de radiación Figura 6. Circuito de acondicionamiento para 4 SNY70 Para poder enviar información por infrarrojo es preciso generar una señal portadora y montar en ella la información. En este caso, se eligió un LM555 para generar los 38 Khz de la onda portadora, como se muestra en la Fig Los sensores que se utilizaron para detectar un obstáculo, fueron sensores infrarrojos. Estos son los encargados de generar un pulso cuando un obstáculo se atraviesa entre ellos. Se utilizaron 6 juegos de infrarrojos para el desarrollo del robot, con el objetivo de captar todos los ángulos posibles. Figura 8. Señal portadora [5] El enlace se divide, en una sección de emisión y otra de recepción. Los elementos utilizados en la sección emisora son diodos LEDS, infrarrojos. Es muy importante saber elegir el diodo infrarrojo para trabajar. Lo principal a tener en cuenta es su potencia de emisión, tipo de lentilla, frecuencia de operación, ángulo de emisión, etc. En este robot se utilizaron leds TLN105B [3] de la empresa TOSHIBA. La experiencia que tuvimos fue muy buena y logramos Congreso 2010, Página 3 Para prevenir interferencias se utiliza un circuito de codificación, HT12E, el cual cumple la función de codificar la emisión de la señal y así disminuir los ruidos e interferencias. Esta señal codificada, es ingresada al LM555, el cual inyecta el batido al diodo infrarrojo. Como puede verse en la Fig. 9, es

4 posible modificar la frecuencia de funcionamiento por medio de R2 y la corriente de consumo del diodo por medio de R7. Figura 11. Diagrama de bloques del IRM8601 Figura 9. Emisor infrarrojo El circuito que corresponde al receptor de infrarrojo corresponde al mostrado en la Fig. 10. Figura 10. Receptor de infrarrojo Para funcionar necesitan un tren de pulsos que posea una señal portadora y la señal de información. Además poseen una excelente sensibilidad y dependiendo de ciertos factores pueden leer transmisiones a mucha distancia (varios metros) y en diversos ángulos. La frecuencia de la portadora, por lo general ronda los 38 Khz, esto se hace para evitar que señales externas interfieran con la información (luz solar). Una vez que la señal es recibida por el receptor se demodula (se elimina la portadora) y se filtra obteniendo a la salida solamente la información necesaria. Esta información ingresa al HT12D, que compara el código de encriptación y si coincide enciende un led, lo que significa que un obstáculo ha sido detectado. Algunas de sus características son: Alta capacidad de protección frente a interferencias (EMI) Compatibilidad con CMOS Y TTL Alta sensibilidad Tensión de alimentación 5V Máxima distancia de recepción de 8 mts 2.4 Etapa de alimentación de 5V En la Fig. 12 se muestra una fuente de alimentación regulada de 5V, utilizando un LM7805. Figura 12. Fuente de alimentación Este circuito está constituido por un decodificador y un receptor de infrarrojos. El circuito de recepción de infrarrojos que se utilizó fue el IRM8601 [4]. Estos módulos infrarrojos contienen una circuitería interna que sirve de demodulador por codificación de pulsos (PCM). En la Fig. 11 se muestra el diagrama interno. 4

5 2.5 Etapa programación Segundo Congreso Virtual, Microcontroladores y sus Aplicaciones Para la programación del microcontrolador se utilizó el programador ICD2. En la Fig.13 se observa su conexionado con el robot. Figura 13. Modulo de programación Figura 15. Etapa de emisión de RF 2.6 Microcontrolador El microcontrolador que se utilizó para la placa de control del robot fue el PIC16F887. En la Fig. 14 se muestra su conexión. Figura 14. PIC16F887 En esta etapa también es necesario incluir un circuito codificador para asegurar que la transmición se realice sin errores. En este caso se utilizó un HT12E para codificar la información. En la Fig. 16 se muestra al transmisor. Algunas de las caracteristicas del emisor son: Velocidad de transmisión 4.8 KB/s Potencia de salida de RF: 8 mw Voltaje de alimentación 2 a 12V Figura 16. Transmisor de RF 3 EMISOR El emisor es el encargado de poner en funcionamiento al robot. Consta de los siguientes módulos: Etapa de emisión de radiofrecuencia, teclado numérico, joystick de control de movimiento, LCD 2x16 para presentación de datos, entrada RS232 para conexión con una PC. 3.1 Etapa de emisión de radiofrecuencia 3.2 Etapa de periféricos Los periféricos que integran al radiocontrol son: un teclado matricial de 3x4. Es el encargado de la selección de los menús y el ingreso de password. En la Fig. 17 se muestra su conexión con el microcontrolador. Esta etapa consta de un emisor de radiofrecuencia, modelo TLP434, que es el complemento del receptor explicado en la sección 2.1. Su principal función es enviar la información inalambricamente para que el control pueda comandar al robot. Fig. 15. Congreso 2010, Página 5

6 Figura 17. Teclado matricial Figura 20. Circuito RS232 para comunicación con PC un joystick que permite mover al robot en todas direcciones. Su conexión se muestra en la Fig. 18. Figura 18. Joystick de control del robot 3.3 Microcontrolador El microcontrolador que se utilizó para la placa del radiocontrol del robot fue el PIC16F877. En la Fig. 21 se muestra su conexión. Figura 21. PIC 16F877 un LCD 2x16 utilizado para mostrar los parámetros y menús de programación. En la Fig. 19 se muestra su conexión. Figura 19. LCD 2x16 4 DIAGRAMAS DE FLUJO Y FUNCIONAMIENTO DEL PROGRAMA 4.1 Funcionamiento del programa un circuito serie RS232 para la comunicación con la PC. Se utilizó un MAX232 para generar las tensiones de comunicación y un conector DB9. Su conexión se muestra en la Fig. 20. Cuando el control remoto se enciende, genera un código, que siendo recibido por el robot, hace que este se detenga. Esto fue realizado para provocar que el robot se detenga por cualquier inconveniente. Si el robot sale del área de alcance del radiocontrol automáticamente se detiene. Luego, debe ingresarse la clave de seguridad. Una vez aceptada, se puede elegir entre usar al robot en modo automático o manual. En modo automático el robot se controla por medio de los sensores, los cuales son seleccionables y de ese modo activar los que se crean necesarios. Otra opción es elegir el modo manual, en el cual el usuario tiene por completo el control del robot. 6

7 4.2 Diagramas de flujos Segundo Congreso Virtual, Microcontroladores y sus Aplicaciones A continuación se muestran los diagramas de flujo del Emisor y del Receptor respectivamente. Figura 23. Diagrama de flujo del Receptor Figura 22. Diagrama de flujo de Emisor Congreso 2010, Página 7

8 5 CONCLUSIONES El mayor inconveniente que se tuvo durante la construcción del robot fue la sincronización de los módulos de infrarrojos. Esto fue debido a la distancia que existía entre el diodo emisor y el receptor, la cual fue muy crítica ya que determinó la apertura del haz. Esta distancia también provocó que el receptor y el emisor se vean sin que un obstáculo los atravesara. Ese problema fue solucionado envolviendo al diodo emisor con un tubo termo contraíble. Por el lado de la comunicación de RF, los resultados fueron muy satisfactorios ya que se alcanzó un control pleno del robot con poca inversión. Una desventaja que presenta estos módulos es la de ser unidireccionales y eso limitó mucho las aplicaciones posibles. Se pretende con el tiempo, hacer un enlace bidireccional, que nos permita recibir información que provenga del robot y de ese modo poder monitorear parámetros. Figura 26. Una de las placas del robot en diseño 3D 5 FOTOS DEL PROYECTO Figura 24. Control remoto Figura 25. Robot sumo en construcción 8

9 Segundo Congreso Virtual, Microcontroladores y sus Aplicaciones Referencias [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] Copyright Emilio D Olivo Marcos Privitera : El autor delega a la Organización del Segundo Congreso Virtual de Microcontroladores la licencia para reproducir este documento para los fines del Congreso ya sea que este artículo se publique en el sitio web del congreso, en un CD o en un documento impreso de las ponencias del Segundo Congreso Virtual de Microcontroladores. Congreso 2010, Página 9