TUTORIAL: ROBOT SEGUIDOR DE LINEA

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1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ALCOY TUTORIAL: ROBOT SEGUIDOR DE LINEA AUTOR: José Ríos Úbeda DIRIGIDO POR: Jaime Masiá Vañó Alcoy, 2 de Mayo de 2014

2 CONTENIDO DEL TUTORIAL 1. OBJETIVO DEL TUTORIAL MICROCONTROLADOR ARDUINO ELEMENTOS NECESARIOS Listado componentes por nombre, cantidad y precio Listado componentes en imágenes CONTRUCCIÓN Y DISEÑO Placa circuito impreso Montaje sobre PCB... 7 PASO 1:Puentes y resistencias... 7 PASO 2: Pulsadores de tacto... 9 PASO 3: Indicadores leds... 9 PASO 4: Bornes dobles y condensador PASO 5: Tiras de pines PASO 6: Micromotores corriente continua PASO 7: Sensor óptico PASO 8: Rueda loca PASO 9: Conector JST PASO 10: Arduino motor shield PASO 11: Arduino Uno Rev PASO 12: Cableado PASO 13: Batería TEST Y PROGRAMACIÓN ANEXOS Anexo 1:Fotolito Anexo 2: Asignación entradas y salidas P ágina

3 1. OBJETIVO DEL TUTORIAL En este tutorial intentaremos lograr que construyas un robot seguidor de línea controlado por un microcontrolador Arduino. VIDEO FUNCIONAMIENTO ROBOT 3 P ágina

4 2. MICROCONTROLADOR ARDUINO Para el funcionamiento del robot seguidor de línea se utilizara un microcontrolador programable arduino, además de un controlador que nos permitirá manejar los dos motores. Arduino es una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles y fáciles de usar. Se creó para artistas, diseñadores, aficionados y cualquiera interesado en crear entornos u objetos interactivos. Este es el microcontrolador elegido para el robot, se detalla a continuación: uino.es Arduino Uno Rev3 es una placa electrónica basada en el microprocesador Atmega328 (datasheet). Lleva 14 entradas/salidas digitales y 6 de estas pueden utilizarse para salidas PWM. Además lleva 6 entradas analógicas, un oscilador de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un header ICSP y un pulsador para el reset. La placa lleva todo lo necesario para soportar el microprocesador. (Figura 1.1).arduino.es Arduino Motor Shield se basa en el L298 (datasheet), que es un controlador de puente completo dual diseñado para manejar cargas inductivas como relés, solenoides, DC y motores paso a paso. Te permite conducir dos motores de corriente continua con tu placa Arduino, el control de la velocidad y la dirección de cada uno de forma independiente. También se puede medir el consumo de corriente de cada motor, entre otras características. (Figura 1.2) 4 P ágina

5 3. ELEMENTOS NECESARIOS Para empezar te mostramos un listado de todos los materiales que necesitas, aparte de esto te hará falta herramientas básicas como: destornilladores, alicates, soldador, estaño y muchas ganas de empezar. (Tabla 3.1) 3.1. LISTADO COMPONENTES POR NOMBRE, CANTIDAD Y PRECIO Se detallan todos los componentes necesarios para el montaje, puedes acceder al vínculo de internet del elemento situándote encima del nombre (Ctrl + clic). ELEMENTO NOMBRE CANTIDAD Referencia 1 Arduino Uno Rev Arduino Motor Shield 1 3 Micromotor de corriente continua 2 4 Soporte para micromotor (par) 1 5 Ruedas pequeñas 32x7mm (par) 1 6 Rueda loca pequeña 9.52mm 1 7 Array de sensores reflectantes QTR-8A 1 8 Batería Rhino 750mAh 7.4v 20C 1 9 Tira de pines cabecera hembra 40 vías 1 1 fila paso 2.54mm 10 Tira de pines cabecera macho 40 vías 1 fila 1 paso 2.54mm 11 Tira de pines cabecera hembra 8 vías 3 12 Tira de pines cabecera hembra 6 vías 1 13 Conector JST 1 14 Pulsadores tacto 3 15 Bornes dobles para PCB 4 16 Condensador 100nf (no electrolítico) 1 17 Resistencia 4k Resistencia Resistencia Resistencia 10k 3 21 Led verde 1 22 Led rojo 1 23 Cable telefónico 1 24 Interruptor Tabla 3.1 Listado componentes. Fuente: Elaboración propia 5 P ágina

6 3.2. LISTADO COMPONENTES EN IMÁGENES Además incorporamos una tabla con imágenes que nos servirá para identificar todos los elementos necesarios para nuestro robot seguidor de línea. Nº 3 Nº 4 Nº 5 Nº 6 Nº 7 Nº 8 Nº 9 Nº 10 Nº 11 Nº 12 Nº 13 Nº 14 Nº 15 Nº 17,18,19,20 Nº 16 6 P ágina

7 Nº 23 Nº 24 Nº Tabla 3.2 Listado componentes. Fuente: Elaboración propia 4. CONSTRUCCION Y DISEÑO 4.1 PLACA CIRCUITO IMPRESO En este caso el chasis del robot es la misma placa PCB, se ha realizado así para minimizar el peso del robot y hacer que la potencia de los motores se aproveche de la mejor manera. Adicionalmente es uno de los principales componentes del robot, ya hemos realizado el diseño y te lo presentamos para que te guíes, por supuesto lo puedes modificar y darle a tu robot una forma única. Puedes fabricar esta placa manualmente o mandarla fabricar según sea tu experiencia. (Figura 4.1) 7 P ágina

8 Figura 4.1 Placa PCB original Puedes ver el fotolito más adelante, el cual puedes imprimir para crear tu propia placa por insolación. (Anexo 1) 4.2 MONTAJE SOBRE PCB Cuando ya tengas la placa lista debes ahora soldar todos los componentes, para ello te explicaremos paso a paso la mejor manera para hacerlo. PASO 1: PUENTES Y RESITENCIAS En primer lugar separamos los 4 trozos de placa que nos servirán como separador del soporte del micromotor que más adelante explicamos su montaje. (Figuras 4.2 y 4.3) Figura 4.2 Separadores Figura 4.3 Separador Empezaremos soldando los componentes más pequeños, resistencias y puentes tal como indica la imagen. (Figuras 4.4 y 4.5) 8 P ágina

9 Puente 3 Puente 1 Puente 2 Puente 4 Figura 4.4 Montaje puentes Resistencia 390Ω 2 Resistencias 330Ω Resistencia 4k7Ω Resistencia 4k7Ω 3 Resistencias 10kΩ PASO 2: PULSADORES DE TACTO Figura 4.5 Montaje resistencias Seguidamente insertaremos los 3 pulsadores en la esquina inferior tal como indican las imágenes. (Figuras 4.6 y 4.7) Cada pulsador tendrá una asignación (P1, P2 y P3) se muestra en la tabla de asignaciones que más adelante proporcionamos. (Anexo 2) 9 P ágina

10 P2 P3 P1 Figura 4.6 Pulsadores Figura 4.7 Pulsadores PASO 3: INDICADORES LEDS A continuación procederemos a soldar los leds rojo y verde en la misma área de los pulsadores. (Figura 4.8) Tener en cuenta la polaridad de los leds, para orientaros mejor saber que la pista más próxima al borde de la PCB es alimentación positiva (+) y la negativa (-) conecta con las resistencias de 330Ω. (Figura 4.9) Cátodo - Ánodo + Figura 4.8 Leds Figura 4.9 Leds PASO 4: BORNES DOBLES Y CONDENSADOR En el siguiente paso insertaremos los bornes dobles, 4 en su totalidad, divididos en dos partes: 1 borne en la parte inferior de la placa (Figura 4.10) y 3 bornes en la parte superior (Figura 4.11) También aprovechamos y soldamos el condensador de 100nf, como no es electrolítico no tendremos en cuenta su polaridad. (Figura 4.11) 10 P ágina

11 Condensador Figura 4.10 Bornes Figura 4.11 Bornes Paramos en este punto, y observamos con esta vista aérea de nuestra placa PCB, que no nos hayamos obviado ningún paso y todos los componentes estén correctamente en su ubicación. (Figura 4.12) Figura 4.12 Vista PCB PASO 5: TIRAS DE PINES Seguimos con el siguiente paso en el cual insertaremos y soldaremos cuidadosamente las tiras de pines de cabecera compuestas por 8 pines y 6 pines. (Figuras 4.13 y 4.14) 1 Tira 6 pines 11 P ágina

12 3 Tiras 8 pines Figura 4.13 Tira de pines inferior Figura 4.14 Tira de pines superior PASO 6: MICROMOTORES CORRIENTE CONTINUA A continuación recuperamos los separadores para los motores que nos servirán para separar la distancia correcta la PCB del suelo, para que los componentes inferiores no tengan contacto alguno con el suelo. (Figuras 4.2 y 4.3) De tal manera colocamos 2 separadores juntos en la posición del motor, y atornillaremos el motor tal como indican las imágenes. (Figuras 4.15 y 4.16) Por ultimo soldaremos la alimentación del micromotor con 2 cables (rojo y negro) en su correspondiente ubicación en la PCB, e insertaremos las ruedas compatibles en el eje del motor. (Figura 4.16) Figura 4.15 Separadores ruedas Figura 4.16 Micromotor y rueda Realizaremos la misma operación para la otra rueda. PASO 7: SENSOR OPTICO Seguimos dando forma a nuestro robot seguidor de línea, en este paso montaremos el sensor óptico. 12 P ágina

13 Para ello primero cambiaremos la disposición de los pines de la tira para obtener mayor longitud en los pines. (Figura 4.17). Cortaremos la tira para obtener una nueva tira de 11 pines. (Figura 4.18) Figura 4.17 Alicates y tira de pines Figura 4.18 Micromotor y rueda Soldaremos la tira de pines en el morro del robot, tal que los pines sobresalgan por la parte inferior de la PCB. (Figura 4.19). Figura 4.19 Tira de pines soldada Figura 4.20 Tira de pines cortada Cortaremos de nuevo otra tira de pines, pero en este caso la tira de pines hembra para obtener una nueva tira de 11 pines como la anterior. (Figura 4.20) Soldaremos dicha tira de pines al sensor óptico, la soldadura se realizara por la parte inferior del sensor por donde se encuentran los fotosensores. (Figura 4.21) Por último y con las dos partes terminadas, ensamblaremos el sensor óptico con la PCB del robot, tal que debe quedar centrada en el morro del robot. (Figura 4.22) 13 P ágina

14 Figura 4.21 Soldando tira a sensor Figura 4.22 Morro del robot PASO 8: RUEDA LOCA Para finalizar el morro del robot seguidor de línea, necesitaremos dotarle de movimiento libre en el morro, para ello instalaremos una rueda loca. Su conexión es sencilla, la atornillaremos en los orificios ya preparados para ella. (Figuras 4.23 y 4.24) Figura 4.23 Rueda loca Figura 4.24 Instalación rueda loca PASO 9: CONECTOR JST No nos olvidemos de conectar el conector JST en el borne correspondiente, cuidando la polaridad tal como indicamos. (Figura 4.25) Figura 4.25 Conexión conector JST 14 P ágina

15 Con la mayoría de los pasos ya finalizados, aramos de nuevo este punto, y observamos con esta vista aérea de nuestra placa PCB, que no nos hayamos obviado ningún paso y todos los componentes estén correctamente en su ubicación. (Figura 4.26) Figura 4.26 Vista aérea robot seguidor de línea PASO 10: ARDUINO MOTOR SHIELD Vamos a instalar el controlador en la parte superior de la PCB, guiarse de la posición por las imágenes, se puede observar que 2 pines del controlador no estarán conectados con la PCB es porque no se van a utilizar. (Figuras 4.27 y 4.28) Figura 4.27 Instalación controlador Figura 4.28 Instalación controlador 15 P ágina

16 PASO 11: ARDUINO UNO REV3 Por otra parte la instalación del Arduino Uno se realizara por la parte inferior de la PCB, de tal modo que la placa controladora y el arduino quedaran conectados entre sí. La posición del Arduino es la que se muestra en las imágenes. (Figuras 4.29 y 4.30) Figura 4.29 Instalación Arduino Figura 4.30 Instalación Arduino PASO 12: CABLEADO Se realizara la conexión del borne del controlador con los bornes que conectan a los micromotores además del borne de alimentación. (Figuras 4.31 y 4.32) Figura 4.31 Conexionado cables Figura 4.32 Conexionado cables La conexión del cableado se realizara de la siguiente manera. (Figura 4.33) Figura 4.33 Esquema conexionado 16 P ágina

17 PASO 13: BATERIA Como último paso conectaremos la batería al conector JST y la esconderemos debajo del controlador ya que existe un hueco suficiente para ello. (Figuras 4.34 y 4.35) Figura 4.34 Conexión batería Figura 4.35 Batería conectada ASPECTO FINAL ROBOT SEGUIDOR DE LINEA Figura 4.36 Vista superior Figura 4.37 Vista inferior Figura 4.38 Vista lateral 1 Figura 4.39 Vista lateral 2 17 P ágina

18 5. TEST Y PROGRAMACIÓN Para iniciar la comunicación con nuestro Arduino Uno, deberemos seguir los pasos que nos sugieren en la web: Ya tenemos nuestro robot seguidor de línea terminado y listo para empezar a trabajar. Antes de empezar a programar el arduino recomendamos realizar un programa tipo test que nos ayudará a comprobar que todos los elementos funcionan correctamente además de sernos útil en posibles averías futuras. El programa que proponemos está basado en LabView y es el siguiente: 18 P ágina

19 6. ANEXOS 6.1 FOTOLITO 6.2 ANEXO 2 (ASIGNACIONES ENTRADAS Y SALIDAS)7 ENTRADAS ANALÓGICAS PIN DESCRIPCION (DER-IZQ) A0 2º Sensor óptico A1 3º Sensor óptico A2 4º Sensor óptico A3 5º Sensor óptico A4 6º Sensor óptico A5 7º Sensor óptico ENTRADAS / SALIDAS DIGITALES PIN E/S DESCRIPCION 13 Salida Dirección motor B 12 Salida Dirección motor A 11 Salida Velocidad motor B (PWM) 10 Entrada Pulsador 1 9 Salida Freno motor A 8 Salida Freno motor B 7 Salida Led rojo 6 Salida Led verde 3 Salida Velocidad motor A (PWM) 2 Entrada Pulsador 2 0 Entrada Pulsador 3 19 P ágina