Practica de Control y Programación de Robots ROBOT HERMES. Curso

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1 Practica de Control y Programación de Robots ROBOT HERMES Curso CAMPUS TECNOLÓGICO DE LA UNIVERSIDAD DE NAVARRA NAFARROAKO UNIBERTSITATEKO CAMPUS TEKNOLOGIKOA Paseo de Manuel Lardizábal Donostia-San Sebastian. Tel.: Fax: Escuela Superior de Ingenieros Universidad de Navarra Ingeniarien Goi Mailako Eskola Nafarroako Unibertsitatea

2 1. El Robot Hermes 1.1. Introducción El robot Hermes es un robot móvil con ruedas, con capacidad de guía, que debe ser capaz de moverse en su entorno y evitar los obstáculos a su alrededor. Posee una estructura de un metro de altura y un diámetro de unos 540 milímetros. Estará dotado de un conjunto de sensores que le permitirán recibir información de su entorno. Se espera que esta información pueda utilizarse por el robot para generar mapas de localización y planificar trayectorias. El diseñó del robot consta de tres partes: el diseño mecánico, el electrónico, y por último, el diseño del sistema de control. El primero contiene aspectos como el chasis y la estabilidad de la estructura. El diseño electrónico contiene aspectos como los sensores, alimentación, así como la electrónica capaz de llevar las señales de control hacia los motores. Por su parte el sistema de control manejará el tráfico de información desde y hacia los amplificadores, tarjetas y PC de control Objetivo del Proyecto Hermes El objetivo del proyecto Hermes es construir un robot con capacidad de guiar personas a través de la universidad por ejemplo, y generar mapas de trayectorias y localización. Este robot está inspirado en algunos robos comerciales, en particular el B21 y Magellan. Tecnun también ha desarrollado algunos robots similares, pero a escala reducida, tales como Micri. Ilustración 1. Prediseño del Robot Hermes (izquierda), esquema del robot B21 con sus principales partes (derecha).

3 Al final de este proyecto, el robot debería consistir de: - La estructura base del robot, con todos los elementos asociados. - Baterías para alimentar los elementos electrónicos. - Sensores: infrarrojos, ultrasonidos, etc. - Una cámara web. - Un ordenador con sistema operativo Linux. - Un protocolo de comunicación para la transmisión de datos de los sensores al computador, y de los datos procesados hacia los motores. - Una interfaz amigable de supervisión y control para monitorizar y controlar la actividad del robot. Tarjetas microcontroladoras PC controlador con Linux Conexión Wifi con la red Tecnun Ilustración 2. Arquitectura de las conexiones del robot Hermes Arquitectura del robot El sistema de control se muestra en la ilustración 3. Estará formado por el PC, los microcontroladores, las diferentes tarjetas de sensores, los amplificadores y otros elementos para intercambio de información. Los sensores infrarrojos tienen cada uno una salida analógica. Estos están directamente conectados con los canales de entrada analógicos de las dos tarjetas de microcontroladores. Existe una tarjeta para los sensores infrarrojos de larga distancia y otra para los de corta distancia. Los dos microcontroladores convierten la señal analógica de los sensores infrarrojos en señales digitales, las cuales son enviadas al PC vía USB. La tercera tarjeta recibe la información de los sensores ultrasonido vía bus I2C y envía la medida de distancia al PC. La información de los amplificadores llega desde el cuarto microcontrolador y es enviada al PC. Este se conecta también con el encoder en el tercer canal. Los datos calculados por el PC se transmiten del microcontrolador al amplificador y de allí a los tres motores.

4 Ilustración 3. Sistema de Control Comunicación Las diferentes partes del sistema de control deben comunicarse entre ellas. Esta comunicación debería ser rápida para que la respuesta del robot no sea muy lenta. La forma seleccionada es comunicar el PC y los microcontroladores vía USB, ya que el PC y el microcontrolador maestro manejan este protocolo. Para la conexión los sensores ultrasonidos se utiliza el bus I2C Bus I2C Este estándar (Inter-Integrated Circuit) es un bus serial multi-maestro, que puede operar en modo direccionamiento de 7 ó 10 bits. El modo 7 bits es suficiente ya que se tendrán 2 7 = 128 direcciones, de las cuales 16 están reservadas. El robot posee 8 sensores ultrasonidos que son conectados en la tarjeta vía I2C, lo que hace un total de nueve nodos comunicándose en el mismo bus. Así, el bus operará en cuatro modos distintos: - Maestro transmite - Maestro recibe - Esclavo transmite - Esclavo transmite.

5 Inicialmente, el maestro envía un bit start (S) tal como se observa en la ilustración 4. El bit de start se indica con una transición de alto a bajo en la línea SDA con la línea SCL en alto. Este bit es seguido por la dirección de 7 bits del esclavo con el cual se quiere comunicar. A continuación, un bit indica si este quiere leer o escribir. El esclavo responde con un bit de reconocimiento ó acknowledge (ACK). Entonces se produce la transmisión de los datos. Después de cada transmisión se enviá un bit de stop (P), la cual se especifica con una transición de bajo a alto en la línea SDA cuando la línea SCL está en alto. Ilustración 4. Comunicación I2C Bus USB El bus serial universal es un estándar para dispositivos de interfaz. Permite conectar periféricos al PC y es muy utilizado. La información es transmitida rápidamente. Existen dos modos de operación, baja velocidad (1,5 Mb/s) ó alta velocidad (12 Mb/s). Las señales son transmitidas en un par de cables llamadaso D+ y D-, los cuales están conectados a las entradas del microcontrolador del mismo nombre. El bus USB necesita también una alimentación de 5V, que es garantizada por la salida VUSB del microcontrolador y la tierra. Es necesario un cristal de cuarzo ya que el circuito oscilatorio del microcontrolador no es muy preciso y provee solo 8 MHz. Y para las conexiones USB por ejemplo, se necesita una frecuencia exacta de 48 MHz. Tabla Nº1. Pines del bus USB Pin Name Cable colour Description 1 VCC Red +5V 2 D- White Data - 3 D+ Green Data + 4 GND Black Ground PC En el mini PC se procesa toda la información. Este toma la información de los cuatro microcontroladores vía el host USB de 4 puertos. El PC obtiene las entradas de los sensores y del driver. Calcula las salidas correspondientes y las envía al driver que controla el encoder. El encoder por otra parte, le indica al motor lo que debe hacer, por lo que el PC controla el movimiento del robot. Este mini PC consta de una tarjeta madre, un disco duro y memoria RAM de 1 GB. Estas partes son esenciales para salvar el programa principal y realizar los cálculos. La tarjeta madre tiene una frecuencia de 1GHz lo cual asegura que el tiempo de cálculo sea muy pequeño, lo cual es deseable para que el robot pueda reaccionar rápidamente a las entradas de los sensores. El disco

6 duro tiene una memoria de 4 GB. No es mucha ya que solo se necesita guardar lo programas de control del robot. Posee también una fuente de alimentación, y 6 puertos USB tal que pueda conectarse también una cámara web adicional Microcontrolador La selección del microcontrolador ha dependido del convertidor analógico digital (ADC), del conversor digital analógico (DAC), del modulador de pulsos (PWM) y del bus USB incluidos en el micro. También fue importante que el microcontrolador tuviese gran cantidad de pines para la conexión con hardware externo, tal como sensores y amplificadores. Así, el microcontrolador seleccionado fue el PIC18F4550 (ilustración 5), versión F, es decir, con memoria flash, la cual puede borrarse y rescribirse hasta veces. Por simplificación se escogió el mismo microcontrolador para todas las tarjetas. Este microcontrolador incluye las siguientes características importantes: - Memoria flash para almacenar los programas entradas y salidas. - Conversor analógico-digital de 10 bits, y hasta de 13 canales. - Interfaz USB Oscilador interno de 8MHz. - 5 canales PWM. - Modo I2C maestro esclavo. - Compilador C con arquitectura optimizada y conjunto opcional de instrucciones extendidas. - Programación In-Circuit Serial (ICSP) vía dos pines. Se tendrán cuatro microcontroladores de este tipo, uno para el control de los sensores ultrasonido, otro para los amplificadores, y dos para recibir la información de distancia de los sensores infrarrojos. Todos ellos enviarán su información al PC vía USB. Ilustración 5. Pines del PIC18F4550. Cada microcontrolador es embebido en una tarjeta que llevará los circuitos básicos necesarios para su funcionamiento.

7 2. Descripción de la Práctica El objetivo de esta práctica es el programar las distintas tarjetas de microcontroladores del robot Hermes. Existen un total de 4 tarjetas a programar, la tarjeta asociada a los sensores ultrasonidos, las asociadas a los sensores infrarrojos de corto y largo alcance, y por último la tarjeta asociada al amplificador ó driver de los motores. El programa a desarrollar en cada caso (usando para ello el compilador C), deberá incluir el código necesario para la gestión de datos, entre los diferentes elementos, es decir: tarjeta, sensores o driver y PC, manejando el bus de comunicación apropiado en cada caso. Para esta práctica se utilizará en el PC el sistema operativo Windows, y para la adquisición de datos se empleará la plataforma labview Equipos y Organización La práctica se realizará en grupos de 3 alumnos. Dichos grupos coincidirán con los grupos formados para la práctica del robot Scorbot. A cada grupo le corresponderá la programación, prueba y puesta a punto de una tarjeta microcontroladora. Estos grupos serán creados por los propios alumnos, de entre los cuales uno hará de portavoz. La comunicación de los grupos se realizará mediante un del portavoz a Daniel Tello antes del 16 de Octubre, cuyo encabezado sería Practica Hermes y cuyo contenido será los nombres y número de carnet de la escuela de los integrantes del grupo. El horario para realizar la práctica será libre de lunes a viernes, de 9:00 a 13:30, y de 15:30 a 18:00, y desde el 22 de Octubre hasta el 19 de Diciembre. Ha de entregarse el informe sobre la práctica el 19 de Diciembre. La evaluación de la Práctica será el mismo día 19 de Diciembre en horario de clase. La asistencia de los alumnos es obligatoria, presenten o no su trabajo Informe Al finalizar la práctica, se deberá entregar un informe completo en el que se explique de forma detallada las tareas realizadas. Las partes que debe contener dicho informe son: - Introducción, breve descripción de los objetivos conseguidos (1 página), - Diagrama de flujo del programa desarrollado. - Fases de desarrollo del programa (implementación, comprobación y corrección de errores) (5 a 6 páginas). - Documentación exhaustiva de las distintas partes del programa. Poniendo especial atención en las funciones (el número de páginas que se considere oportuno).

8 - Conclusiones (discusión sobre ciertos aspectos: robustez del programa ante fallos, tiempo empleado para la transmisión de datos, posibles mejoras) (2 páginas). Se entregará en papel una copia del informe, a cualquiera de los profesores de la asignatura. Además se adjuntará una copia en CD que contenga el informe, el código fuente debidamente comentado y la última versión del programa compilado Evaluación Informe: Se valorará la calidad de la presentación, contenidos. Máximo 1 punto. Presentación: Los alumnos deberán presentar a sus compañeros, explicando el trabajo realizado, y contestando a las cuestiones que les formulen sus compañeros o el profesor. Máximo 0.2 puntos. Funcionamiento del programa: Máximo 0.8 puntos. Si el programa no funciona 0 puntos.

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