Robot A3 Seguidor de Línea. Guía de usuario

Transcripción

1 Robot A3 Seguidor de Línea Guía de usuario Introducción A3 es un robot autónomo de morfología móvil, diseñado para competiciones de seguimiento de línea. Se trata de un robot de tipo diferencial, su tracción basa en dos motores de corriente directa, alimentado por una batería de 9 Voltios. A3 utiliza un microcontrolador de la marca Atmel modelo Atmega328, con firmware de Arduino, lo cual facilita su programación.

2 Advertencias de seguridad y precauciones de uso El robot A3 no es un juguete. Puede ser usado por niños y jóvenes bajo la supervisión y ayuda de un adulto. El uso o abuso del producto es responsabilidad del usuario final. Grupo Educare no se hace responsable por daños o lesiones que éste pueda causar durante su uso. Este producto no está diseñado para jugar, no debe usarse fuera de las condiciones de trabajo. A continuación se indican las precauciones: Antes de comenzar por favor lee cuidadosamente el manual. Utiliza baterías alcalinas o recargables. En el caso de las alcalinas asegúrate que sean nuevas, y si compras recargables verifica que tengan suficiente carga, de lo contrario al programar lo puedes inutilizar para siempre. Condiciones de trabajo: superficie lisa, de preferencia melamina, interiores con luz controlada. No colocar la tarjeta de circuito impreso (PCB) sobre superficies metálicas. El robot A3 esta ensamblado y soldado con piezas que contienen plomo y estaño, por lo cual es necesario lavarse las manos después de manipularlo. Los componentes del robot están expuestos, por lo que es importante no tocarlo con las manos mientras está en funcionamiento. Si tus manos están mojadas se puede causar un corto circuito y dañar uno o varios componentes. Primeros pasos de A3 Qué necesitas? Batería de 9V. Utiliza de preferencia baterías alcalinas o recargables. Si trabajará durante tiempos prolongados con el robot, te recomendamos usar baterías recargables de Niquel-Metal Hidruro, NiMH. No olvides comprar el cargador correspondiente. Cable A B, USB a Micro USB. A3 no requiere un programador externo, todo el hardware electrónico ya se incluye en el robot, pero para la comunicación entre la computadora y el robot se requiere dicho cable. Computadora. Necesitas una computadora para programar el robot. Para ello se utiliza la interfaz de programación de Arduino, plataforma libre, que funciona en cualquiera de los siguientes sistemas operativos: Windows Mac Linux Material para pruebas. Es necesario que tengas a mano papel, cartulinas, cartoncillo y cinta aislante negra o blanca, para improvisar pistas y probar el robot.

3 Conoce más del robot A3 Figura 1. Vista frontal de robot seguidor de línea A3 A3 es un robot de morfología móvil de tipo diferencial, es decir se desplaza por medio de dos ruedas con dos motores, uno para cada una. El cerebro de este robot es un Arduino Nano, y está encargado de procesar la información que le proveen los sensores para realizar correcciones a través de los motores, bajo el esquema básico de control. Hardware de A3 En la figura 1 se muestra el hardware del robot. Observa que se cuenta con varios componentes y dispositivos electrónicos. Reconoces alguno?, a continuación se explican brevemente. Sensores reflectivos de contraste, son los encargados de percibir la información del ambiente, en este caso el contraste, la diferencia entre lo blanco y lo negro, lo brillante y lo opaco. Este dispositivo se compone de dos partes: emisor y receptor. Tanto el primero como el segundo trabajan en el rango infrarrojo de la luz. Ésta no es perceptible por el ojo humano, pero con ayuda de una cámara digital se observa.

4 LEDs. Diodos emisores de luz por sus siglas en inglés, son dispositivos que emiten una luz al circular una corriente por sus terminales. En A3 se usan como indicadores y son programables por el usuario por medio del Arduino. Driver para motor. Basado en un transistor de potencia NPN, son los que proveen de potencia al motor, siendo la interfaz entre el microcontrolador y el motor. Botones. Son interruptores de encendido al contacto. El robot cuenta con 2, el primero para reiniciar el microcontrolador (arduino), y el segundo como botón de usuario para propósito general. Motorreductores. Son motores de corriente directa (CD, como el de las baterías), con una caja de engranes adaptada. Los usados en A3 tienen una reducción de 48:1, esto es, por cada 48 vueltas que gire el motor, el eje del reductor girará 1 vuelta. De este modo se incrementa el torque, fuerza, y se reduce la velocidad. Batería. Es la que provee de energía eléctrica a todo el robot, arduino, sensores, LEDs, motores, pulsadores. Es tipo rectangular de 9V. Figura 2. Vista trasera de A3

5 Arduino Nano Es una pequeña y completa placa basada en el mirocontrolador Atmega328 que generalmente se usa para hacer prototipos. Tiene más o menos la misma funcionalidad que el Arduino UNO, pero con una presentación más compacta. No posee conector para alimentación externa, y funciona con un cable USB Mini-B en ez del cable estándar. Figura 3. Arduino Nano Especificaciones Microcontrolador: Atmega328. Tensión de operación (nivel lógico): 5 Voltios. Tensión de entrada (recomendada): 7-12 Voltios. Tensión de entrada (límites): 6-20 Voltios. Pines E/S digitales: 14 (de los cuales 6 proveen de salida PWM). Entradas Analógicas: 8 Corriente máxima por cada PIN de Entrada/Salida: 40mA Memoria Flash: 32KB. SRAM: 2KB EEPROM: 1KB. Dimensiones: 18.5 mm x 23.2 mm.

6 Alimentación El Arduino Nano puede ser alimentado usando el cable USB Mini-B, con una fuente externa no regulada de 6-20V (pin 30), o con una fuente externa regulada de 5V (pin 27). La fuente de alimentación es seleccionada automáticamente a aquella con mayor tensión. El chip FTDI FT232RL que posee el Nano solo es alimentado si la placa esta siendo alimentada usando el cable USB. como resultado, cuando se utiliza una fuente externa (no USB), la salida de 3.3V (la cual es proporcionada por el chip FTDI) no está disponible y los pines 1 y 0 parpadearán si los pines digitales 0 o 1 están a nivel alto. Memoria El ATmega168 posee 16KB de memoria flash para almacenar el codigo (de los cuales 2KB son usados por el bootloader); el ATmega 328 posee 32KB, (también con 2 KB usados por el bootloader). El Atmega168 posee 1KB de SRAM y 512 bytes de EEPROM (la cual puede ser leida y escrita con la librería EEPROM); el ATmega328 posee 2 KB de SRAM y 1KB de EEPROM. Entrada y Salida Cada uno de los 14 pines digitales del Nano puede ser usado como entrada o salida, usando las funciones pinmode(), digitalwrite(), y digitalread(). Operan a 5 voltios. Cada pin puede proveer o recibir un máximo de 40mA y poseen una resistencia de pull-up (desconectada por defecto) de 20 a 50 kohms. Además algunos pines poseen funciones especializadas: Serial: 0 (RX) y 1 (TX). (RX) usado para recibir y (TX)usado para transmitir datos TTL vía serie. Estos pines están conectados a los pines correspondientes del chip USB-a-TTL de FTDI. Interrupciones Externas: pines 2 y 3. Estos pines pueden ser configurados para activar una interrupción por paso a nivel bajo, por flanco de bajada o flanco de subida, o por un cambio de valor. Mira la función attachinterrupt() para más detalles. PWM: pines 3, 5, 6, 9, 10, y 11. Proveen de una salida PWM de 8-bits cuando se usa la función analogwrite(). SPI: pines 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Estos pines soportan la comunicación SPI, la cual, a pesar de poseer el hardware, no está actualmente soportada en el lenguaje Arduino. LED: Pin 13. Existe un LED conectado al pin digital 13. Cuando el pin se encuentra en nivel alto, el LED está encendido, cuando el pin está a nivel bajo, el LED estará apagado. El Nano posee 8 entradas analógicas, cada unas de ellas provee de 10 bits de resolución (1024 valores diferentes). Por defecto miden entre 5 voltios y masa, sin embargo es posible cambiar el rango superior usando la función analogreference(). También, algunos de estos pines poseen funciones especiales: I2C: Pines 4 (SDA) y 5 (SCL). Soporta comunicación I2C (TWI) usando la librería Wire (documentación en la web Wiring). Hay algunos otros pines en la placa: AREF. Tensión de referencia por las entradas analógicas. Se configura con la función analogreference(). Reset. Pon esta linea a nivel bajo para resetear el microcontrolador. Normalmente se usa para añadir un botón de reset que mantiene a nivel alto el pin reset mientras no es pulsado.

7 Diagrama Pictórico Figura 4. Diagrama pictórico de circuito de A3

8 Programando en Arduino Para programa el robot seguidor de línea es necesario contar con el entorno de programación de Arduino. Si aún no lo tiene lo puede descargar en: en la sección de descargas. Es recomendable que la versión de arduino que descarque sea igual o posterior a las 1.0. Figura 5. Captura de pantalla de entorno de programación Arduino versión Componentes de Arduino IDE Figura 6. Icono Verificar Verificar. inspecciona el código generado, marca errores y posibles soluciones. Figura 7. Ícono: Cargar Cargar: Cuando se presiona este botón se compila y ensambla el código contenido en la ventana y se descarga a la tarjeta electrónica de Arduino. Este proceso puede tardar algunos segundos o tal vez un para de minutos.

9 Figura 8. Ícono: Nuevo. Nuevo: crea un nuevo sketch en blanco. Figura 9. Ícono: Abrir. Abrir: abre un sketch, código, ya existente. Figura 10. Ícono: Guardar. Guardar: salva las modificaciones realizadas en el código. Figura 11. Ícono: Monitor Serial. Monitor Serial: abre la aplicación de monitor serial, que puede servir para diferentes propósitos. Referencias del lenguaje Los programas hechos con Arduino se dividen en tres partes principales: Estructura, valores (variables y constantes), funciones. El lenguaje de programación Arduino se basa en C/C++. Estructuras Las dos estructuras principales son las siguientes: setup(), es la estructura donde se configura las entradas, salidas y los módulos. Es llamado también como inicialización. Lo contenido en esta estructura se ejecuta sólamente una vez al inicio del programa. loop(), es la estructura donde se escribe el código, y se repetirá infintas veces. Valores Constantes HIGH, alto, LOW, bajo, INPUT, entrada, OUTPUT, salida, True, verdadero, false, falso,

10 Variables: boolean, booleando, char, carácter, byte, 8 bits int, entero, unsigned int, entero sin signo, long, entero de 32 bits, unsigned long, entero 32 bits sin signo, float, punto flotante. Funciones pinmode(), configura si el pin digital será salida o entrada, digitalwrite(), si el pin ha sido configurado como salida digital, su voltaje de salida será 0 o 5V. digitalread(), lectura del valor digital del pin especificado, analogread(), lectura del valor analógico del pin especificado, analogwrite(), configura la modulación por anchura de pulso de un pin (PWM), delay(), pausa en milisegundos. Serial, librería incluida para el uso y configuración del módulo serial. Revisa la referencia del lenguaje de arduino para aprender más acerca de las estructuras, variables y funciones de Arduino.

11 El primer programa en Arduino para A3 Un sencillo programa de demostración está disponible en los ejemplos de Arduino, Archivo/Ejemplos/01.Basics/Blink. Figura 12. El primer programa en Arduino Este sencillo programa prende y apaga un LED, colocado en la patilla, pin 13. /* Blink Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly. */ // Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards. int led = 13; // the setup routine runs once when you press reset: void setup() // initialize the digital pin as an output. pinmode(led, OUTPUT);

12 // the loop routine runs over and over again forever: void loop() digitalwrite(led, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level) delay(1000); // wait for a second digitalwrite(led, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW delay(1000); // wait for a second Abierto el programa de ejemplo es necesario seleccionar la tarjeta correspondiente, en el caso del robot seguidor de línea, se trata de un Arduino Nano Atmega328, para ello diríjase al menú Herramientas/Tarjeta/Arduino Nano w/atmega328. Figura 13. Selección de tarjeta Arduino Nano w/atmega328 Ahora se verificará que el código escrito sea correcto, presione el ícono verificar:

13 Lo que hará esta función será traducir todo lo codificado a un idioma que entienda el microcontrolador. Observe los avisos y errores de salida mostrados. Si el programa se compila correctamente, el mensaje de salida deberá ser como se muestra en la figura: Figura14. Mensajes de salida Una vez compilado y verificado el programa, y en vista que no existen errores o advertencias, se procede a cargar el programa a la tarjeta de Arduino. Para ello antes es importante seleccionar el puerto de comunicación serial COM correcto. Para ello se puede hacer lo siguiente: Abra el administrador de dispositivos, En la pestaña Puertos (COM y LPT), verifique el puerto en el cual está ubicado el Arduino. Generalmente tiene el nombre de USB Serail Port. Figura 15. Verificación del puerto COM del Arduino

14 Una vez identificado, se selecciona en el IDE, Herramientas/Puerto serial/comx Figura 16. Selección del Puerto Serial Cargue el programa a la tarjeta de Arduino presionando el ícono de cargar. Esta acción puede tardar algunos segundos. Figura 17. Carga de programa a tarjeta de Arduino Si la carga fue exitosa se desplegará el siguiente mensaje: Figura 18. Carga Exitosa

15 Ejemplos y proyectos Ahora que sabe como compilar y cargar un prorama a la tarjeta de Arduino es tiempo de aprender a diseñar y codificar programas más complicados. Comenzará con los más sencillos. Ejemplo 1: Luces estilo el auto increible Figura 16. Tarjeta de A3 La tarjeta del robot seguidor de línea incluye 5 indicadores LED's para el propósito General. Éstos se encuentran en los pines digitales 11, 9, 8, 7, 6, marcados como B0, B1, B2, B3, B4 en ese preciso orden. La secuencia que se quiere lograr es la siguiente: Movimiento 1 Movimiento 2 Movimiento 3 Movimiento 4

16 Movimiento 5 Movimiento 6 Movimiento 7 Movimiento 8 Figura 17. Luces del auto increíble. El código de este programa se encuentra disponible en la página Web: int runled = 13; //Alias para pin 13 int led0 = 11; int led1 = 6; int led2 = 7; int led3 = 8; int led4 = 9; void setup() //Configuración de entradas y salidas pinmode(runled, OUTPUT); //Salida digital en runled = pin 13 pinmode(led0, OUTPUT); //Salida digital en led0 = pin 11 pinmode(led1, OUTPUT); //Salida digital en led1 = pin 6

17 pinmode(led2, OUTPUT); //Salida digital en led2 = pin 7 pinmode(led3, OUTPUT); //Salida digital en led3 = pin 8 pinmode(led4, OUTPUT); //Salida digital en led4 = pin 9 //Configuración de módulos void loop() //Código que se repetirá infititamente //Corrimiento de LEDs del B0 al B4 digitalwrite(led0, HIGH); //Puesta en alto de led0, prende digitalwrite(led1, LOW); //Puesta en bajo de led1, apaga delay(250); digitalwrite(led1, HIGH); //Puesta en alto de led1, prende digitalwrite(led0, LOW); //Puesta en bajo de led0, apaga delay(250); digitalwrite(led2, HIGH); //Puesta en alto de led2, prende digitalwrite(led1, LOW); //Puesta en bajo de led1, apaga delay(250); digitalwrite(led3, HIGH); //Puesta en alto de led3, prende digitalwrite(led2, LOW); //Puesta en bajo de led2, apaga delay(250); digitalwrite(led4, HIGH); //Puesta en alto de led4, prende digitalwrite(led3, LOW); //Puesta en bajo de led3, apaga delay(250); //Corrimiento de LEDs del B4 al b0 digitalwrite(led3, HIGH); //Puesta en alto de led0, prende digitalwrite(led4, LOW); //Puesta en bajo de led4, apaga delay(250); digitalwrite(led2, HIGH); //Puesta en alto de led0, prende digitalwrite(led3, LOW); //Puesta en bajo de led4, apaga delay(250); digitalwrite(led1, HIGH); //Puesta en alto de led0, prende digitalwrite(led2, LOW); //Puesta en bajo de led4, apaga delay(250); Es un ejemplo sencillo pero ayuda a comprender el manejo de los pines digitales como salidas.

18 Ejemplo 2: Encendido de un LED con un interruptor sin contacto. La tarjeta del robot A3 cuenta con 5 sensores del tipo reflectivo infrarrojo. Este tipo está compuesto de dos componentes un emisor y un receptor. El primero es un LED infrarrojo, luz que no podemos ver los ojos; el segundo es un fototransistor con filtro de luz de día. El funcionamiento es el siguiente: Figura 18. Sensor Reflectivo sobre superficie reflejante. Cuando el LED infrarrojo se encuentre emitiendo luz, si la superfice es reflejante, por ejemplo blanca, se refleja una cantidad de luz que es percebida por el fototransistor, que convierte la señal luminosa en voltaje, permite un flujo de corriente entre sus terminales y por la configuración de carga de emisor se obtiene un valor. Figura19. Sensor Reflectivo sobre superficie opaca Por lo contrario si el la superficie es opaca, por ejemplo negra, se refleja poca luz, la cual es percibida por el fototransisto, pero se genera poca corriente en sus terminales y por consiguiente poco voltaje. Este sensor no puede servir como un interruptor sin contacto, y se usa comúnmente en muchos procesos de la industra y cotidianos, tal es caso de las llaves automáticas de agua usadas en los baños públicos. La intensión es que cuando coloque su dedo frente al sensor este active el LED. A continuación se propone el código. /* Inicio del código */ //Declaración de variables globales int sensor4; int runled = 13; //Alias para pin 13

19 int led0 = 11; void setup() //Configuración de entradas y salidas pinmode(led0, OUTPUT); //Salida digital en led0 = pin 11 //Configuración de módulos void loop() //Código que se repetirá infititamente sensor4 = analogread(a4); //Lectura del sensor Izquierdo if (sensor4 > 512) //Si la superficie es blanca entonces prende LED digitalwrite(led0, HIGH); else //Sino, es decir, es negro, entonces apaga LED digitalwrite(led0, LOW); delay(50); /* Fin del código */ El funcionamiento de este será el siguiente, cuando coloque su dedo cerca del sensor marcado como A4 en el PCB del robot el indicador LED marcado como B0 se encenderá, sino se mantendrá apagado, como se muestra en la siguiente figura. Figura 20. Funcionamiento del programa

20 Ejercicio 1: Desarrolle un programa que cumpla con las siguientes condiciones: Si el sensor 4, A4, detecta, está sobre una superficie reflejante, entonces prende el LED marcado como B0. Si el sensor 3, A3, detecta, está sobre una superficie reflejante, entonces prende el LED marcado como B1. Si el sensor 2, A2, detecta, está sobre una superficie reflejante, entonces prende el LED marcado como B2. Si el sensor 1, A1, detecta, está sobre una superficie reflejante, entonces prende el LED marcado como B3. Si el sensor 0, A0, detecta, está sobre una superficie reflejante, entonces prende el LED marcado como B4. Cada uno de los sensores debe accionar de manera independiente, pudiendo estar varios en superficie reflejante y tener funcionamiento.

21 Ejemplo 3: Accionar de motores. Para probar los motores tenemos que conectarlos en los terminales (verdes con tornillos), marcados como Motor A y Motor B. En la siguiente figura se muestra a manera de ejemplo la conexión. Figura 21. Conexión de motores También es necesario conectar la batería con interruptor. Sea cuidadoso al conectar la batería, conecte el cable rojo del broche de la batería (positivo) en el tornillo del terminal verde marcado con +V, y el negro (común, tierra) conéctelo al otro lado del terminal, marcado con GND. Puede guiarse de la siguiente figura para conectarlo. Corte la alimentación con el interruptor. Figura 22. Conexión de batería

22 Copie y pegue el siguiente código en la ventana del IDE de Arduino. /* Inicio del código */ //Declaración de variables globales int sensor0, sensor1, sensor2, sensor3, sensor4; int MotorA = 3; int MotorB = 5; int led1 = 6; int led2 = 7; int led3 = 8; void setup() //Configuración de entradas y salidas pinmode(motora, OUTPUT); //Salida digital en MotorA = pin 5 pinmode(motorb, OUTPUT); //Salida digital en MotorA = pin 3 pinmode(led1, OUTPUT); //Salida digital en led1 = pin 6 pinmode(led2, OUTPUT); //Salida digital en led2 = pin 7 pinmode(led3, OUTPUT); //Salida digital en led3 = pin 8 //Configuración de módulos void loop() //Código que se repetirá infititamente //Adelante digitalwrite(motora, HIGH); digitalwrite(motorb, HIGH); digitalwrite(led1, LOW); digitalwrite(led2, HIGH); digitalwrite(led3, LOW); delay(1000); //Derecha digitalwrite(motora, HIGH); digitalwrite(motorb, LOW); digitalwrite(led1, HIGH); digitalwrite(led2, LOW); digitalwrite(led3, LOW); delay(1000); //Izquierda

23 digitalwrite(motora, LOW); digitalwrite(motorb, HIGH); digitalwrite(led1, LOW); digitalwrite(led2, LOW); digitalwrite(led3, HIGH); delay(1000); /* Fin del código */ Funcionamiento El robot deberá ir hacia adelante, después a la derecha y por último a la izquierda. Se repetirá infinitamente. Verifique que la secuencia descrita corresponda con el movimiento del robot. Si alguno de los motores gira en sentido contrario invierta los cables en los terminales de tornillo (verdes).

24 Ejemplo 4: Visualización del valor de los sensores en monitor serial. Una de las grandes ventajas de las tarjetas de Arduino es su simplicidad para establecer conexión con una computadora. Esto se realiza gracias al convertivor USB a serial incluido en la tarjeta. A demás el entorno de programación cuenta con una aplicación, monitor serial, que sirve para visualizar, recibir y enviar información. El siguiente programa obtiene el valor de los sensores reflectivos analógico, los cuantifica y los despliega. La cuantificación es el proceso por el cual se le asigna un valor en bits a una señal. Los convertidores CAD, Analógico a Decimal, cuantifican las señales, es decir entregan un valor en número dependiendo de la resolución que posean. En el caso del microcontrolador que se usa, Atmega328, la resolución es de 10 bits, es decir 1024 divisiones en la escala del 0 al 5V. Una buen analogía es la siguiente: Suponga que tiene una escalera de 5 metros con 1024 escalones, cada escalón le hará subir metros. Si otra persona le indica que tiene que pintar una linea a 2.5 metros del piso, Cuántos escalones tendrá que subir?, esto puede resolverse por una simple regla de tres: Dato= 2.5metros 1024escalones =512escalones 5metros A grosso modo eso es lo que hace un convertidor Analógico a Digital, convierte un voltaje en un dato que pueda manipular. Para realizar la calibración los sensores o para obtener información de ellos se puede realizar un programa que muestre los datos en el monitor serial. A continuación se propone el código para realizar esta tarea. /* Inicio del código */ //Declaración de variables globales int sensor0, sensor1, sensor2, sensor3, sensor4; void setup() //Configuración de entradas y salidas //Configuración de módulos Serial.begin(9600); void loop() //Código que se repetirá infititamente sensor0 = analogread(a0); //Lectura del sensor Derecho sensor1 = analogread(a1); //Lectura del sensor Centro Derecho sensor2 = analogread(a2); //Lectura del sensor Centro sensor3 = analogread(a3); //Lectura del sensor Centro Izquierdo sensor4 = analogread(a4); //Lectura del sensor Izquierdo

25 Serial.print("Sensor Derecho = "); Serial.println(sensor0); Serial.print("Sensor Centro Derecho = "); Serial.println(sensor1); Serial.print("Sensor Centro = "); Serial.println(sensor2); Serial.print("Sensor Centro Izquierdo = "); Serial.println(sensor3); Serial.print("Sensor Izquierdo = "); Serial.println(sensor4); delay(500); /* Fin del código */ Funcionamiento Una vez compilado y descargado el código se deberá abrir el monitor serial dentro del IDE de Arduino para ver los datos. Figura 23. Recepción de datos por el monitor Serial En la figura se puede observar los valores obtenidos sobre una superficie reflejante, en la parte superior, y en la posterior sobre una superficie opaca. Estos datos son importantes para la determinación del umbral para el seguidor de línea. Ejercicio 2 Desarrolle el código para un programa que muestre por el monitor serial el valor de los sensores en Voltaje.

26 Ejemplo 5: Seguidor de línea Básico El seguimiento de una línea es una buena introducción en la programación de robots. Por qué un seguidor de líneas? Es fácil entender el funcionamiento y la lógica de programación para el seguimiento de una línea. Optimizar el programa para hacer que el robot se deslice sobre una línea a la velocidad más rápida es un reto que puse llevarle a algunos conceptor avanzados de programación. Explicación del concurso El concurso de velocidad consiste en una carrera de persecución entre dos robots en una pista cerrada, comenzando en puntos opuestos y avanzando en el mismo sentido. El objeto, por tanto, será la consecución de altas velocidades de marca en un recorrido perfectamente establecido. Figura 24. Competición seguidor de línea, persecución Construya una pista para pruebas Es importante tener una pista o construir una con los siguientes materiales. Cartulina blanca, cinta de aislar negra, tijeras. Para hacer pruebas dibuje con la cita de aislar una pista sencilla, tal vez sea suficiente con un rectángulo con las esquinas redondeadas o una elipse. No se recomienda vueltas con ángulos rectos, 90 grados.

27 Se propone el siguiente código, copie y pegue en el área de código del IDE de Arduino. /* Inicio del código */ //Declaración de variables globales int sensor0, sensor1, sensor2, sensor3, sensor4; int runled = 13; //Alias para pin 13 int led0 = 11; int led1 = 6; int led2 = 7; int led3 = 8; int led4 = 9; int umbral = 750; int velocidad = 100; void setup() //Configuración de entradas y salidas pinmode(runled, OUTPUT); //Salida digital en runled = pin 13 pinmode(led0, OUTPUT); //Salida digital en led0 = pin 11 pinmode(led1, OUTPUT); //Salida digital en led1 = pin 6 pinmode(led2, OUTPUT); //Salida digital en led2 = pin 7 pinmode(led3, OUTPUT); //Salida digital en led3 = pin 8 pinmode(led4, OUTPUT); //Salida digital en led4 = pin 9 //Configuración de módulos void loop() //Código que se repetirá infititamente sensor0 = analogread(a0); sensor1 = analogread(a1); //Lectura del sensor Centro Derecho sensor2 = analogread(a2); //Lectura del sensor Centro sensor3 = analogread(a3); //Lectura del sensor Centro Izquierdo sensor4 = analogread(a4); if (sensor0 > umbral && sensor1 > umbral && sensor2 < umbral && sensor3 > umbral && sensor4 > umbral) //Si la superficie es blanca entonces prende LED analogwrite(5, velocidad); analogwrite(3, velocidad); digitalwrite(led1, LOW);

28 digitalwrite(led2, HIGH); digitalwrite(led3, LOW); //Centro y derecho if (sensor0 > umbral && sensor1 < umbral && sensor2 > umbral && sensor3 > umbral && sensor4 > umbral) //Si la superficie es blanca entonces prende LED analogwrite(5, 50); analogwrite(3, velocidad); digitalwrite(led1, HIGH); digitalwrite(led2, HIGH); digitalwrite(led3, LOW); //derecho if (sensor0 < umbral && sensor1 > umbral && sensor2 > umbral && sensor3 > umbral && sensor4 > umbral) //Si la superficie es blanca entonces prende LED analogwrite(5, 20); analogwrite(3, velocidad); digitalwrite(led1, HIGH); digitalwrite(led2, LOW); digitalwrite(led3, LOW); //Centro Izquierdo if (sensor0 > umbral && sensor1 > umbral && sensor2 > umbral && sensor3 < umbral && sensor4 > umbral) //Si la superficie es blanca entonces prende LED analogwrite(5, velocidad); analogwrite(3, 50); digitalwrite(led1, LOW); digitalwrite(led2, HIGH); digitalwrite(led3, HIGH); //Izquierdo if (sensor0 > umbral && sensor1 > umbral && sensor2 > umbral && sensor3 > umbral && sensor4 < umbral) //Si la superficie es blanca entonces prende LED analogwrite(5, velocidad); analogwrite(3, 20);

29 digitalwrite(led1, LOW); digitalwrite(led2, LOW); digitalwrite(led3, HIGH); /* Fin del código */ Funcionamiento Son cinco las entradas que se toman en cuenta para hacer la corrección en los motores y de esta forma seguir la línea. Si ya probó el código se dará cuenta que el robot sigue la línea de la siguiente manera. Figura 25. Seguimiento de línea con condiciones Idealmente el programa descrito anteriormente tiene el comportamiento mostrado en la tabla. Sensor 0 Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 Motor A (3) Motor B (5) % 40.00% % 40.00% % 40.00% % 20.00% % 8.00% En la tabla un 1 representa superficie blanca, y un 0 representa la línea negra. Para realizar ajuste en la velocidad, se debe de cambiar el valor de la variable velocidad. int velocidad = 100; Y las velocidades de cada motor en cada condición.

30 Como verá este sistema de control no es muy eficiente, el seguidor de línea no se desliza exactamente sobre ella y se requiere trabajar a baja velocida. Ejercicio 3. Desarrolle un código para la respuesta ante lo cinco sensores y las siguientes condiciones: Sensor 0 Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 Motor A Motor B Ajuste y determine las acciones a tomar con respecto a la velocidad de cada uno de los motores.

31 Ejemplo 6: Seguidor de línea con Control PID Para seguir la línea con precisión es necesario aplicar métodos de control. La técnica usada en este ejemplo es el control PID. Proporcional, es un valor propocional a la posición del robot sobre la línea. Si el robot está centrado sobre la línea el error será 0, pero si se encuentra a la derecho o izquierda el valor del error será positivo o negativo. Integral, es una memoria de todos los eventos anteriores. Una integral en sistemas discretos, generalmente usados por micro-controladores y microprocesadores, se pude expresar como la sumatoria de todos los puntos anteriores, lo que en sistemas continuos es el área debajo de la curva. Derivativo, es la razón de cambio, la tendencia, el diferencia de los valores actuales y anteriores. El código propuesto /* Inicio código */ #include <QTRSensors.h> //Biblioteca para la lectura y calibración de los sensores de contraste //Declaración de constantes #define NUM_SENSORS 5 // Número de sensores #define NUM_SAMPLES_PER_SENSOR 4 // Número de muestras por sensor #define EMITTER_PIN 2 // Controlador de emisores LED's infrarrojos //Los sensores reflectivos para detectar contraste de encuentran conectados en las entradas //Analógicas A0 a A4 QTRSensorsAnalog qtra((unsigned char[]) 0, 1, 2, 3, 4, 5, NUM_SENSORS, NUM_SAMPLES_PER_SENSOR, EMITTER_PIN); unsigned int sensorvalues[num_sensors]; //Vector para almacenar señal de sensores unsigned int sensors[5]; // Matriz para armazenar valores dos sensores int MotorA = 5; //Alias para Motor B int MotorB = 3; //Alias para Motor A //Declaración de variables int total = 0; float average = 0; int index = 0; int last_proportional; int integral; void setup()

32 //Configuración de entradas y salidas digitales delay(500); pinmode(13, OUTPUT); //Se prende el indicador LED conectado en el pin 13, para indicar que se //inicia la calibración digitalwrite(13, HIGH); //Rotación del robot para calibración analogwrite(motora, 90); analogwrite(motorb, 0); for (int i = 0; i < 200; i++) //Calibración durante 5 segundos qtra.calibrate(); // Se hace las lecturas para obtener valores de máximos y mínimos digitalwrite(13, LOW); //Se apaga el LED indicando que se completo la programación analogwrite(motora, 0); analogwrite(motorb, 0); delay(1000); void loop() while(1) //Se obtiene el valor de cada uno de los sensores mediante la función qtra.readline(); unsigned int position = qtra.readline(sensorvalues); //Determinación del término proporcional int proportional = ((int)position) ; //Determinación del término derivativo int derivative = proportional - last_proportional; //Determinación del término integral integral += proportional; //Se almacena el estado anterior para determinar el próxmio término derivativo last_proportional = proportional; //Cálculo para determinar la velocidad de cada uno de los motores int power_difference = proportional/10 + integral/ derivative*3/2;

33 const int max = 180; if(power_difference > max) power_difference = max; if(power_difference < -max) power_difference = -max; if(power_difference < 0) set_motors(max+power_difference, max); else set_motors(max, max-power_difference); // Accionamiento dos motores void set_motors(int left_speed, int right_speed) if(right_speed >= 0 && left_speed >= 0) analogwrite(motora, left_speed); analogwrite(motorb, right_speed); if(right_speed >= 0 && left_speed < 0) left_speed = -left_speed; analogwrite(motora, left_speed); analogwrite(motorb, 0); if(right_speed < 0 && left_speed >= 0) right_speed = -right_speed; analogwrite(motora, 0); analogwrite(motorb, right_speed); /* Fin de código */ Para la compilación de este programa es necesario descargar e instalar la librería QTRSensors para Arduino. Funcionamiento El robot seguirá una línea blanca sobre fondo negro, deslizándose de la mejor manera posible, debido al método de contro usado, PID. Ejercicio 4: Modifique el código para que el robot siga una línea negra con fondo blanco.