Laboratorio de Sistemas Electrónicos Digitales

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1 Laboratorio de Sistemas Electrónicos Digitales ROBOT CON CONTROL REMOTO Y CÁMARA DE VÍDEO INTEGRADA AUTORES PABLO RODRÍGUEZ CABELLOS EUGENIO SILLERO HERRERO

2 ÍNDICE. INTRODUCCIÓN OBJETIVOS DESCRIPCIÓN DEL ROBOT...7. PROTOCOLOS DE COMUNICACIONES..... EL NIVEL FÍSICO: ENLACE RADIOFRECUENCIA..... NIVEL DE ENLACE: LAPR PROTOCOLO DE COMANDOS ÓRDENES DE MOTORES ÓRDENES DEL SISTEMA ÓRDENES DE IMAGEN PROTOCOLO DE DATOS ESTADO DEL ROBOT RECOMPONIENDO LA IMAGEN.... TARJETA DE CONTROL DE MOTORES..... DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE ALIMENTACIÓN SENSORES DRIVER DE MOTORES PROCESADO DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE EQUIVALENCIAS Y VECTORES DE INTERRUPCIÓN RUTINA DE RESET MODO AUTOMÁTICO MODO MANUAL INTERRUPCIONES SUBRUTINAS...7. TARJETA DE CONTROL PRINCIPAL DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE ALIMENTACIÓN CONTROL DE ORIENTACIÓN DE LA CÁMARA INTERFAZ DE LA CÁMARA PROCESADO DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE EQUIVALENCIAS Y VECTORES DE INTERRUPCIÓN RUTINA DE RESET RUTINAS DE CONFIGURACIÓN DE CÁMARA EL PROGRAMA PRINCIPAL ADQUISICIÓN DE DATOS LAS RUTINAS DE ENLACE EL NIVEL FÍSICO HOST DE CONTROL REMOTO PLACA DE CONTROL EL SOFTWARE PAQUETE COM.THEEXBTEAM.COMM PAQUETE COM.THEEXBTEAM.ROBOTS APÉNDICE A: INSTALACIÓN DEL SOFTWARE

3 6.. INSTALACIÓN DEL ENTORNO JAVA INSTALACIÓN DE LAS LIBRERÍAS JAVAX.COMM INSTALACIÓN DE LA APLICACIÓN DE CONTROL INSTALACIÓN DE JAKARTA-ANT APÉNDICE B ESQUEMÁTICOS DE LAS PLACAS APÉNDICE F: AVISOS LEGALES PAQUETES COM.THEEXBTEAM.* LIBRERÍAS JAVAX.COMM TERCERAS PARTES BIBLIOGRAFÍA REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS (POR HACER) HOJAS DE CARACTERÍSTICAS Y RECURSOS EN LA RED DIRECCIONES DE FABRICANTES Y PROVEEDORES

4 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Figura Vista general del prototipo en madera del robot...8 Figura Figura Figura Vista lateral del robot...8 Detalle de la batería del robot...9 Tarjeta de control del robot y radio enlace...9 Figura 5 Frontal del robot con los bumpers de colisión...0 Figura 6 Parte inferior del robot.... Figura 7 Detalle del bastidor delantero... Figura 8 Figura 9 Figura 0 Detalle de los sensores CNY70 del robot... Tarjeta de control de motores con todos los sensores conectados... Comunicación serie un bit de arranque, 8 de datos y uno de parada.... Figura Módulo de radio frecuencia WIZ--SML-IA de Auriel...5 Figura Esquema de las tramas de comandos....7 Figura Esquema de las tramas de ACK de comando....7 Figura Esquema de las tramas de estado...8 Figura 5 Esquema de las tramas de píxeles de imágenes....8 Figura 6 Detalle de la trama de datos de estado... Figura 7 Gráfico del proceso de cálculo de la fila y columna de imagen.... Figura 8 Esquema de la tarjeta de control de motores.... Figura 9 Sistema de alimentación de la tarjeta de control de motores....5 Figura 0 Polarización de los sensores CNY Figura Figura Figura Figura Conexión de los sensores CNY Polarización de los bumpers...7 Conexión de los bumpers...7 Esquema del driver de motores...8 Figura 5 Conexiones del microcontrolador....9 Figura 6 Interfaz del programación AVR...0 Figura 7 Circuito de reset....0 Figura 8 Figura 9 Lógica de adaptación para la interrupción mecánica... Esquema de la tarjeta de control principal...5 Figura 0 Sistema de orientación de la cámara Figura Cámara digital M68FP

5 Figura Interfaz de la tarjeta principal con la cámara Figura Asignación de terminales de la cámara digital al bus de datos...58 Figura Conexiones del microcontrolador Figura 5 Detalle del registro de estado COMM...69 Figura 6 Esquema de funcionamiento de los codificadores de enlace...7 Figura 7 Placa de control del host...8 Figura 8 Detalle del adaptador MAX...8 Figura 9 Detalle de la conexión con la tarjeta de radio frecuencia...8 Figura 0 Figura Figura LEDs de la placa de control...8 Pines de contacto de la tarjeta de radiofrecuencia WIZ-- SML-IA...85 Diagrama UML del paquete com.theexbteam.comm...87 Figura Diagrama UML del paquete com.theexbteam.robots...89 Figura Figura 5 Aspecto de la interface gráfica de usuario...9 Logotipo del lenguaje de programación Java de Sun Microsystems...9 Figura 6 Logotipo del proyecto APACHE ANT

6 ÍNDICE DE TABLAS Tabla. Pila de protocolos.... Tabla. Configuración de velocidad de las tarjetas WIZ-SML-IA....5 Tabla. Comandos de motores...9 Tabla. Comandos del sistema...0 Tabla 5. Comandos de imagen

7 . INTRODUCCIÓN.. OBJETIVOS La práctica se compone de un robot motorizado con dos servomotores, manipulados para funcionar como motores de continua con caja reductora, y un sistema de adquisición de vídeo usando una cámara CCD de 8x8 píxeles monocroma. El sistema está controlado remotamente por un PC y una aplicación que recibirá las imágenes capturadas por la cámara del robot y transmitirá las órdenes de desplazamiento al robot. El enlace se realiza mediante una tarjeta de radiofrecuencia halfduplex de 00 kbps de la casa AURºEL. El enlace se controla desde un PC por el puerto serie, estableciendo una comunicación directa con el robot. El robot está gobernado por una tarjeta con un microcontrolador ATMEL AT90S855 que se comunica con el PC del usuario, adquiere datos desde la cámara y puede controlar otra tarjeta similar que conforma el sistema de control motriz. Esta segunda tarjeta hace funcionar al robot como un seguidor de línea al incorporar los sensores necesarios. Sin embargo, el sistema motriz puede ser controlado por el usuario en un modo de ejecución especial. La microcámara que se emplea es el modelo M68FP Artificial Retina de Mitsubishi Electric o similares. Se orienta mediante un servomotor a pesar de que el sistema tiene capacidad para controlar dos. El objetivo buscado es la creación de un robot multifunción, fácilmente reprogramable. Para ello se ha querido desarrollar una plataforma multiuso con varios modos de ejecución, así cómo unas librerías software para la comunicación vía radio y control del sistema... DESCRIPCIÓN DEL ROBOT Como se ha descrito antes el robot consta de distintas placas que se montan sobre una estructura común. Se ha buscado crear un soporte robusto y compacto para albergar los distintos sistemas del robot

8 La estructura es de madera por su fácil manejo y poco peso. En la parte superior del robot se colocan la batería, la tarjeta de radio, la tarjeta principal y el sistema de la cámara. En la parte inferior se colocan los motores y soportes necesarios así como la tarjeta de control de motores y un bastidor en el que se hayan los sensores CNY70 encargados de la detección de la línea. Figura Vista general del prototipo en madera del robot Figura Vista lateral del robot - 8 -

9 La batería utilizada es una batería típica para aplicaciones de radiocontrol. Es una batería de Ni-Ca con una tensión nominal de 7,V. Se ha elegido esta batería por su tamaño y por su durabilidad. Proporciona potencia suficiente para alimentar todos los sistemas del robot. Figura Detalle de la batería del robot La tarjeta de radio, la cámara y la tarjeta de control principal forman el cerebro del robot y se describen intensivamente en otros apartados. Ocupan la parte superior del robot para facilitar el acceso a ellas. La tarjeta de control tiene varias interfaces. A parte de los distintos conectores para comunicarse con la tarjeta de radio, la de control de motores y la cámara dispone de una interfaz de programación integrada. Figura Tarjeta de control del robot y radio enlace - 9 -

10 También dispone de unos LEDs de indicación y un pulsador de reset. Los LEDs se utilizan para notificar que la alimentación está encendida, que la programación del microcontrolador está en curso o que se ha activado una traza de depuración. En la parte superior delantera también se colocan los sensores de detección de colisión frontal. Figura 5 Frontal del robot con los bumpers de colisión En la parte inferior se colocan los motores sujetos por abrazaderas. Son dos servomotores manipulados para funcionar como motores de corriente continua con caja reductora. Los dos motores junto con una rótula adherida a un zócalo forman el sistema motriz y de apoyo de robot

11 Figura 6 Parte inferior del robot. En la parte inferior también se colocan los sensores de colisión trasera y los de detección de línea. Los sensores de detección de línea se colocan en un bastidor ajustable en altura mediante unas gomas. Esto se debe a que estos sensores tienen que estar cerca de la superficie a explorar para proporcionar medidas fiables. Además el bastidor impide que una luz ambiente excesiva induzca ruido en las lecturas. Figura 7 Detalle del bastidor delantero La colocación de los sensores se hace de forma que haya dos sensores centrales que deben estar al mismo tiempo sobre la línea. Los dos sensores laterales se colocan ligeramente retrasados con respecto a los otros. Con esta colocación se consigue que si el robot se sale en una - -

12 curva por la inercia los sensores laterales sigan detectando la línea. En este caso el robot deberá intensificar el giro para volver a la situación deseada. Al estar estos dos sensores retrasados se maximiza la probabilidad de que sigan detectando la línea si el robot se sale en una cuerva. Figura 8 Detalle de los sensores CNY70 del robot. La tarjeta de control de motores se coloca en el espacio libre bajo el robot. Consta de dos puertos de sensores, uno para los CNY70 (sensores de línea) y otro para los bumpers (sensores de colisión). También dispone de puertos para los motores y para comunicarse con la tarjeta principal. Los otros dos puertos son el de programación y el de expansión. Este último no se usa en esta aplicación y el primero es exactamente igual al de la tarjeta principal. Figura 9 Tarjeta de control de motores con todos los sensores conectados En cuanto a la interfaz con el usuario se refiere, a los LEDs de indicación de la otra tarjeta se añade uno más. También incorpora un nuevo pulsador, el de marcha. El nuevo LED indica que el sistema motriz se ha iniciado y está listo para arrancar. Cuando se enciende este LED el - -

13 robot espera a que el usuario pulse el botón de marcha para arrancar. El sistema aplica un retardo antes de moverse para que el usuario pueda apartar la mano. - -

14 . PROTOCOLOS DE COMUNICACIONES Se han definido dos protocolos de comunicaciones: uno para cada una de las funciones principales del sistema, el control remoto del robot y el envío de los datos al control remoto. La pila de protocolos empleada es la siguiente: Niveles RESTO ENLACE FÍSICO Protocolos END TO END APPLICATION LAPR RS-/TTLoRF Tabla. Pila de protocolos. Dado que solamente existe comunicación con una única unidad remota y un único host controlador no hace falta especificar ningún sistema de direccionamiento. El nivel de enlace lleva a cabo las tareas de entramado, separación de los distintos protocolos de comunicaciones y en el caso del protocolo de comandos, asegurar que todos los datos enviados llegan a su destino, tal como se detalla seguidamente... EL NIVEL FÍSICO: ENLACE RADIOFRECUENCIA La comunicación se lleva a cabo mediante una interface serie con ocho bits de datos, uno de inicio y otro de parada a través de un enlace de radiofrecuencia. Figura 0 Comunicación serie un bit de arranque, 8 de datos y uno de parada. Este enlace lo realizan las tarjetas Auriel WIZ--SML-IA y exige una fragmentación de datos de 96 bytes por paquete, brindando un canal de comunicaciones half-duplex de cadencia 00 kbps. Emplea la banda - -

15 libre de los MHz para mandar los datos mediante una modulación - FSK. Figura Módulo de radio frecuencia WIZ--SML-IA de Auriel La interface entre la tarjeta de radiofrecuencia y el host destinatario se realiza a una tasa binaria configurable entre los 9600 bps y los 500 bps, siendo esta última cifra la empleada en nuestro sistema dada la alta tasa de datos que se envían desde la unidad remota hacia el host de control. La tasa binaria se configura mediante los switches y según la tabla siguiente: DS DS VELOCIDAD (bps) Abierto Abierto 9600 Abierto Cerrado 900 Cerrado Abierto Cerrado Cerrado 500 Tabla. Configuración de velocidad de las tarjetas WIZ-SML-IA. La tarjeta de radiofrecuencia se pone automáticamente a modular la información a transmitir transcurrido un tiempo igual a,5 veces el período de byte, T: T = 8 T = + v b Para nuestro caso, dado que transmitimos a una cadencia de 500 bps, resulta: T 0µs - 5 -

16 Sin embargo, según indican las hojas de características del fabricante, el mínimo tiempo de guarda es de 500µs, que es el T que se usará. Finalmente, la tarjeta de radiofrecuencia tarda un tiempo T mod en modular un paquete de N bytes igual a: T =.6ms + ( N + ) 0.56ms, mod durante el cual no se puede mandar ningún dato a la tarjeta, pues ésta los descarga automáticamente. El fabricante recomienda guardar como precaución unos pocos milisegundos más antes de mandar el siguiente paquete de datos, por lo que se ha tomado un valor de tiempo de seguridad adicional de ms. El módulo WIZ-SML-IA proporciona además capacidad de detección de errores, activando el switch, entrega únicamente los datos si éstos han pasado satisfactoriamente el checksum al que son sometidos. Para nuestro caso, hemos usado esta característica para evitar sobrecargar el microprocesador principal... NIVEL DE ENLACE: LAPR La información que se debe transferir a través del enlace radiofrecuencia puede ser de dos tipos: órdenes o comandos y datos de estado o imágenes. Dado que sólo se dispone de un único canal se precisa de una multiplexación en el tiempo para poder transmitir toda esta información y no tener problemas de mala interpretación. Por ello se define el protocolo de enlace LAPR (Link Access Protocol for Robots.) Este protocolo ofrece dos tipos de servicio, cada uno orientado a cubrir las necesidades de envío de comandos o de datos. Las tramas de bits se transmiten con un separador de trama, que es el byte 00 (6 en decimal) seguido de la cabecera identificadora de servicio, la cabecera de control y los datos a enviar. Cada servicio se identifica a través de un único bit LSAPID (Link Service Access Point Identifider.) Así: - 6 -

17 LSAPID 0 Servicio de Comandos. Este servicio es un servicio orientado a conexión fiable y confirmado. Se emplea para transmitir desde el host de control a la unidad remota las órdenes, y por ello cada orden es confirmada por el robot enviando una trama de ACK de Comando: Envío de Comando: 00 LSAPID 0 C FR ID COMANDO Byte 0 Byte Byte Figura Esquema de las tramas de comandos. Para enviar un comando, la cabecera de control deberá incluir su bit más significativo puesto a cero, seguido de cinco bits que indican el identificador de trama (C FR ID.) El siguiente byte es el comando a transmitir. Los dos últimos bytes, al ser datos, son codificados para evitar que cadenas de la forma 00 se confundan con separadores de trama, pudiendo llegar a ocupar, a nivel físico bytes el envío (sin contar con los bits de arranque y parada.) Así, la ventana de transmisión de comandos queda con un tamaño de 6 comandos, permitiendo ráfagas de hasta 6 órdenes. En la implementación del software de control, la ventana no se desplaza hasta haber recibido los ACKs de todos los comandos recibidos. Este servicio reenvía automáticamente los comandos no confirmados hasta que sean confirmados, o bien se envíe el comando reservado 0xFF de sincronización (función de inicio/sincronización de la conexión.) Envío de ACK de Comando: 00 LSAPID C FR ID Byte 0 Byte Figura Esquema de las tramas de ACK de comando. Para confirmar un comando, el servicio 0 de enlace manda automáticamente una trama compuesta por el separador de trama, el LSAPID 0 y en la cabecera de control, el bit más significativo (ACK) - 7 -

18 activo, seguido de los cinco bits del ID de trama. Los ACKs se envían siempre que, o bien se haya recibido un comando con FRAME ID igual al esperado o bien se haya recibido un comando ya recibido anteriormente, y que por tanto, el hueco de la ventana de recepción correspondiente a su FRAME ID contenga dicho comando. LSAPID Servicio de Datos. Este servicio es un servicio no orientado a conexión fiable y no confirmado. Independientemente de que el host remoto esté escuchando, el robot transmite continuamente el estado de la unidad y, salvo orden expresa del host de control, los datos de la cámara. Como se puede transmitir tanto el estado como píxeles de la cámara se sigue el siguiente criterio: Envío de Estado: 00 LSAPID 0 IHB GL Byte 0 Byte Figura Esquema de las tramas de estado Donde se disponen de seis bits para los datos de estado. En el apartado Protocolo de datos se explica detalladamente el uso de cada uno de ellos. Envío de Píxeles de Imágenes: 00 LSAPID I ROW# PIXELES( ) Byte 0 Byte Byte, Figura 5 Esquema de las tramas de píxeles de imágenes. La cabecera de control incluye en sus seis bits menos significativos los seis menos significativos de la fila a la que pertenecen los píxeles que se reciben. La recomposición de la imagen se detalla en el apartado Protocolo de datos... PROTOCOLO DE COMANDOS La implementación del protocolo de comandos destina un byte para el envío de comandos, permitiendo el uso de hasta 56 órdenes distintas. Las órdenes se dividen en tres tipos: mecánicas o de motores, de sistema o de imagen

19 ... ÓRDENES DE MOTORES Las órdenes de motores se enmascaran con los dos bit más significativos puestos a cero (00xxxxxx.) Se han definido catorce órdenes de movimiento distintas que recogen todas las posibilidades que se pueden realizar con los dos motores principales del robot. Estas órdenes, con la máscara 0000xxxx se envían directamente desde la tarjeta de control principal del robot hacia la tarjeta de control de motores, que automáticamente pasa al modo manual. Asimismo, la orden 0 = 0x0E, de MODO_AUTOMÁTICO no se envía a la tarjeta de control de motores. En vez de ello, lo que se hace es poner el bit MODE (PC5) a 0 (automático.) El conjunto de comandos de motores es el siguiente: Nombre HEX Descripción Recto 0x00 Desplazamiento hacia delante. Giro Derecha 0x0 Gira a la derecha. Giro Izquierda 0x0 Gira a la izquierda. Marcha Atrás 0x0 Desplazamiento hacia atrás. Desvío Derecha 0x0 Desplazamiento hacia delante y la derecha. Desvío Izquierda 0x05 Desplazamiento hacia delante y la izquierda. Gira Derecha Trasero 0x06 Desplazamiento hacia atrás y la derecha. Gira Izquierda Trasero 0x07 Desplazamiento hacia atrás y la izquierda. Acelerar 0x08 Aumentar la velocidad global. Reducir 0x09 Decrementar la velocidad global. Busca Línea Y Para 0x0a Busca la línea y para los motores. Rota Derecha 0x0b Rotación (mueve dos motores) a la derecha Rota Izquierda 0x0c Rotación (mueve dos motores) a la izquierda No Definido 0x0d No definido Modo Automático 0x0e Pasa a modo automático de seguimiento de líneas. Paro Total 0x0f Paro completo de los motores Tabla. Comandos de motores Todas las órdenes con máscara 00XXyyyy, con XX distinto de 00 e y 0 ó indistintamente no son procesadas actualmente, pero se pueden implementar nuevos movimientos del robot

20 ... ÓRDENES DEL SISTEMA Actualmente existen únicamente dos comandos de sistema a parte del comando reservado 0xff: Nombre HEX Descripción Ping 0xC Petición de respuesta, para comprobar si la unidad remota responde. System Reset 0xCF Reset completo de la tarjeta de control del robot. RESERVADO 0xFF Conexión interna, no permitido su envío. Tabla. Comandos del sistema Las órdenes de sistema se enmascaran con los dos bits más significativos puestos a uno.... ÓRDENES DE IMAGEN Las órdenes de imagen se emplean para controlar la cámara digital basada en el chip M68FP de Mitsubishi. Con estos comandos se puede iniciar o detener la captura de imágenes, cambiar los modos de captura o alterar el tiempo de exposición. También gestiona los movimientos los servos de la cámara para orientar la vista del robot. Se emplea la máscara 0xxxxxx para diferenciarlos del resto de comandos. Nombre HEX Descripción Mira Al Frente 0x0 Centra la vista al frente Mira a la derecha 0x Gira el servo horizontal a la derecha Mira a la izquierda 0x Gira el servo horizontal a la izquierda Mira arriba 0x Gira el servo vertical hacia arriba Mira abajo 0x Gira el servo vertical hacia abajo Inicia captura Activa la señal START de inicio de Reset cámara captura. Reinicia la cámara con los valores por defecto de la misma. Carga Registros 0x59 Carga los ocho registros de configuración de la cámara. Fija Registro xxx 0x50-57 Fija como registro activo el contenido en los tres bits menos significativos. Fija Dato Bajo xxxx 0x70-7f Fija los cuatro bits menos significativos del registro activo como los cuatro bits menos significativos del comando Fija Dato Alto xxxx 0x60-6f Fija los cuatro bits más significativos del registro activo como los cuatro bits menos significativos del comando. Tabla 5. Comandos de imagen - 0 -

21 Las primeras cinco órdenes se envían directamente al microcontrolador de servos basado en un PIC6F8. Se envían a través de cuatro pines, soportando el PIC6F8 ampliaciones de funciones con el puerto de expansión de cuatro contactos. Para cargar un registro de la cámara con un byte dado, primeramente se deberá fijar el registro activo mediante Fija Registro xxx. Seguidamente, se cargan, en orden indistinto la parte baja y la parte alta del byte a cargar mediante Fija Dato Bajo xxxx y Fija Dato Alto xxxx. Finalmente se manda el comando Carga Registros para que se actualicen todos los registros de la cámara... PROTOCOLO DE DATOS... ESTADO DEL ROBOT Los seis bits menos significativos del segundo byte de la trama de datos de estado contienen distintos parámetros que monitorizan el estado del robot: 00 LSAPID 0 IHB GL Byte 0 Byte Figura 6 Detalle de la trama de datos de estado IHB: bit 6, se pone a uno cuando el robot está transmitiendo las filas mayores o iguales a 6 (6-7) de la imagen. Se emplea en el gestor de imágenes para determinar la fila en la que almacenar los datos de píxeles recibidos. 5-: No usados en la implementación actual GL: bit 0, indica cuando está a uno que los sensores CNY70 de la tarjeta controladora de motores han detectado la presencia de la línea guía.... RECOMPONIENDO LA IMAGEN El software de gestión de imagen deberá encargarse de la tarea de recomposición de la imagen a partir de los píxeles que reciba del robot. - -

22 Las tramas de datos de imagen son de longitud variable de como mucho 96 bytes, y la cabecera contiene los seis bits menos significativos de la fila a la que pertenecen los píxeles recibidos. La cámara digital tiene una resolución de 8x8 píxeles y cada uno de ellos se lee con una resolución de 56 niveles de gris. Al recibir los datos, el software de gestión de cámara deberá ir alojando consecutivamente los píxeles que reciba a partir de la posición de columna cero y hasta alcanzar la posición de columna 7. La fila en la que deberá guardar los datos se calcula tomando el bit de estado IHB como bit más significativo y sumándole los seis bits menos significativos contenidos en la cabecera de la trama de imagen: 6 n fila = IHB + CABECERA [ 5..0] Para evitar problemas de desincronización entre el píxel mandado por la unidad remota y el software de control se envía siempre que se inicia la trama la información necesaria para poder determinar si se ha pasado a enviar la información de la siguiente fila. FILA COLUMNA FILA COLUMNA LSAPID I ROW# Byte * 6 LSAPID 0 IHB GL Byte Aplicación de control Figura 7 Gráfico del proceso de cálculo de la fila y columna de imagen. Finalmente, aunque la aplicación de control reciba más datos, si alcanza la columna 7, pasará automáticamente a la siguiente línea, descartando todos los datos que reciba hasta que vuelva a - -

23 encontrar un inicio de trama de imagen con un valor de línea de imagen válido. Todas estas tareas las realiza de forma automática la clase ImageCore del paquete com.theexbteam.robots que se describe en la parte de la aplicación de control remoto. - -

24 7 9 Robot con control remoto y cámara de vídeo integrada. TARJETA DE CONTROL DE MOTORES.. DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE Esta tarjeta fue creada con la idea de independizar los sistemas motrices y de detección de línea del control de la cámara y de la tarjeta de radio. Esta tarjeta es como la de cualquier microrobot seguidor. Se pueden diferenciar cuatro bloques en la tarjeta, alimentación, sensores, driver de motores y procesado. El esquema de la tarjeta es el que muestra la figura. D READY R8 70 D DEP R 70 J5 PWR_IN + C 0uF GOT_LINE MOTAC MOTAC MOTAC MOTAC0 MODE MARCHA MOT_DIR0 MOT_DIR MOT_DIR0 MOT_DIR MOSI MISO SCK XTAL XTAL RESET ,V U ICP RST XTAL XTAL VCC C 00nF PA0/AD0 PA/AD PA/AD PA/AD PA/AD PA5/AD5 PA6/AD6 PA7/AD7 GND U PB0/T0 PB/T PB/AIN0 PB/AIN PB/SS PB5/MOSI PB6/MISO PB7/SCK VIN L7805/TO0 VOUT GND AT90S855 PC0/A8 PC/A9 PC/A0 PC/A PC/A PC5/A PC6/A PC7/A5 C 00uF PD0/RXD 0 PD/TXD PD/INT0 PD/INT PD PD5/OCA 5 PD6/WR 6 PD7/RD 7 0 OCB ALE 9 + C 00nF CNY CNY CNY CNY BUMPER BUMPER BUMPER BUMPER EXP EXP MODE INT_MEC BUMP_TRAS EN_MOT EXP EXP EN_MOT J PWR_OUT C7 5pF Y R 70 R D PWR_ON R 70 D PROG D DIODO_RST INT_MEC XTAL 8 8MHz 0K RESET UC XTAL C8 5pF MOSI RST SCK MISO MOT_DIR0 MOT_DIR MOT_DIR0 MOT_DIR EN_MOT EN_MOT +7,V C9 + 00uF J6 PROGRAMADOR UA UB U A A A A /EN /EN VCC VCC L9 Y 6 Y Y Y RESET C 00nF J7 MOT D7 N00 R 0K J6 MOT SW RESET R5 K D9 N00 D8 N00 N00 +7,V D N00 +7,V D0 MARCHA C 00nF +7,V C0 00nF D N00 D6 N00 R6 0K SW MARCHA R7 K D5 C6 00nF N00 +7,V J J GOT_LINE MOTAC MOTAC MOTAC MOTAC0 MODE R K J TARJ_PPAL BUMP_TRAS EXP EXP EXP EXP UD J EXPAN BUMPER BUMPER R J8 0 CNY R 7K CNY R6 J0 0 7 R J9 0 CNY R5 7K CNY R8 J 0 BUMPER R0 0K BUMPER R 0K BUMPER J BUMPER BUMPER R9 0K BUMPER R0 0K BUMPER J5 BUMPER 7 CNY R7 7K CNY CNY R9 7K CNY Title Tarjeta de control de motores para Robot LSED Size Document Number Rev A.0 Date: Monday, June, 00 Sheet of Figura 8 Esquema de la tarjeta de control de motores. Para un mayor detalle, véase la figura del apéndice B.... ALIMENTACIÓN Este es un bloque fundamental pues la alimentación tiene que estar muy estabilizada porque los motores son una fuente de ruido impulsivo en las líneas de alimentación. La estabilización se consigue separando la alimentación de los motores de la del resto de la tarjeta. - -

25 Los motores se alimentan directamente desde la batería de 7,V. El resto de la tarjeta necesita una tensión de alimentación de 5V, lo que se consigue mediante el regulador L7805. La estabilización se realiza filtrando la alimentación con unos condensadores de capacidad elevada. Los filtrados críticos se han de realizar antes y después del regulador y en la entrada de potencia de los drivers de motores. Con este montaje el ruido impulsivo no afecta al correcto funcionamiento del sistema. Los motores toman la carga almacenada en los condensadores en los picos de tensión y no de la batería por lo que se evitan caídas de tensión en la alimentación de a lógica de control. J5 PWR_IN + C 0uF +7,V U C 00nF VIN L7805/TO0 VOUT GND C 00uF + C 00nF J PWR_OUT D PWR_ON R 70 Figura 9 Sistema de alimentación de la tarjeta de control de motores.... SENSORES El robot ha de ser capaz de orientarse automáticamente. Para la orientación deberá seguir una línea negra sobre un fondo blanco. Adicionalmente se han de poder detectar posibles colisiones con obstáculos. Para poder seguir la línea se utilizan unos sensores de infrarrojos tipo CNY70. Estos sensores integran un fotodiodo que emite radiación infrarroja y un fototransistor que se polariza en función de la radiación recibida. Si el sensor está sobre una superficie negra la radiación emitida por el fotodiodo no se refleja y el fototransistor está en situación de corte. Por el contrario, si el sensor se posiciona sobre una superficie blanca el fototransistor capta la radiación emitida por el fotodiodo. La red para poder usar estos transistores es muy simple. Se ha de polarizar el fotodiodo para que emita siempre con una - 5 -

26 potencia lo suficientemente alta para que la radiación pueda ser detectada. El fototransistor también se ha de polarizar para que este en la zona activa o en corte dependiendo de la luz incidente en la base. Los niveles entregados por el transistor han de ser compatibles con la lógica empleada. El esquema de polarización es el que se muestra en la siguiente figura. R 0 R 7K CNY70 Figura 0 Polarización de los sensores CNY70. Con esta red se satisfacen los requisitos mencionados. Hay que tener cuidado al conectar los sensores a la placa. El usuario se ha de cerciorar de que la conexión al molex verifica el esquema de la siguiente. OUT R 7K R 0 J CNYx CNY70 Figura Conexión de los sensores CNY70. La lectura del valor del CNY por el microcontrolador se realiza por la línea. Un valor 0 indica que el sensor está sobre la línea negra, un valor indica todo lo contrario. Como medida de seguridad, para evitar dañar el sensor o lecturas erróneas, las conexiones se han de aislar bien. En nuestro caso se usó un aislante termoretráctil para aislar cada una de las patas del sensor de las demás. También hay que destacar que los - 6 -

27 sensores se colocan en una pieza de madera que no deja pasar la luz. Esto es importante porque contribuye a eliminar la luz ambiental haciendo las lecturas más fiables. Para poder detectar obstáculos en el camino se usaron unos sensores tipo bumper. Estos elementos no son en realidad sensores sino pulsadores en un encapsulado especial. La red de polarización será por lo tanto muy simple y se corresponde a la mostrada en la siguiente figura. R 0K BUMPER NO NC Figura Polarización de los bumpers. La conexión con los molex ha de ajustarse el esquema que se muestra a continuación para que las lecturas sean correctas. J R OUT 0K BUMPER NO NC BUMPERx Figura Conexión de los bumpers.... DRIVER DE MOTORES La tarjeta de control incluye el circuito de potencia necesario para atacar el sistema motriz del robot. Los dos motores que conforman este sistema se excitan a través de un circuito denominado puente en H. Este tipo de circuitos permiten que los niveles lógicos de la tarjeta controlen las grandes corrientes que circulan por los devanados de los motores. Se ha optado por un puente en H integrado que permite la rotación en ambos sentidos de los dos motores, el L9. La configuración elegida hace que cada motor se controla con tres bits, dos para seleccionar el sentido de giro y otro para arrancarlo. Los - 7 -

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