Diseño y Construcción de un Robot Seguidor de Línea Controlado por el PIC16F84A

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1 8º Congreso Naional de Meatrónia Noviembre 26-27, Veraruz, Veraruz. Diseño y Construión de un Robot Seguidor de Línea Controlado por el PIC16F84A Medina Cervantes Jesús 1,*, Reyna Jiménez Jonattan 1, Santos Luna Joaquín 1, Osorio Mirón Anselmo 2, Juárez Rivera Vitorino 1 (1) Faultad de Ingeniería Meánia Elétria, Universidad Veraruzana, Calle 16 de Septiembre No. 100, Colonia Centro, Ciudad Mendoza, Veraruz, Méxio. (2) Faultad de Cienias Químias, Universidad Veraruzana, Prolongaión de Oriente 6 No. 1009, Colonia Rafael Alvarado, Orizaba, Veraruz, Méxio. Resumen En este doumento se presenta la metodología seguida para el diseño y onstruión de un robot móvil seguidor de una línea negra on fondo blano. El diseño propuesto presenta una estrutura on el modo de onduión de tipo triilo, es deir, tiene tanto traión omo direión delanteras, a diferenia de los móviles desarrollados en diversas fuentes [1,2,3,4,5], que presentan la onduión diferenial para este tipo de apliaión. Se utilizaron dos motores de orriente direta on ajas redutoras de veloidad. El motor para la direión se aopla a la rueda delantera mediante el meanismo de polea-banda. El móvil tiene sólo dos sensores infrarrojos CNY70 montados en la parte delantera. El robot es ontrolado mediante el PIC16F84A, la programaión se realizó en lenguaje ensamblador utilizando el software MPLAB IDE v7.60 y el programa se grabó en el miroontrolador usando el software IC-Prog 1.05D y un programador PIC-500. Se realizó un iruito eletrónio propio. El ual se imprimió en dos plaas separadas, la primera ontiene la parte sensorial (sensores CNY70 y un aondiionador de señal LM358) y la segunda ontiene el ontrol y la potenia (PIC16F84A y driver LM293B). El funionamiento general del robot es adeuado, sin embargo, se puede optimizar su funionamiento ambiando algunos aspetos de su programaión o utilizando materiales más ligeros en su estrutura para reduir efetos ineriales. Palabras lave: Diseño, robot móvil, seguidor de línea, PIC16F84A. 1. Introduión Hoy en día la Robótia Móvil se ha onvertido en un tema de gran interés, on grandes adelantos debido a una gran antidad de proyetos que se han desarrollado en todo el mundo. Como resultado de esto, se han logrado onseguir robots móviles on amplia interaión on el medio, lo ual ha abierto una inmensa gama de apliaiones omo la toma muestras, análisis del medio, deteión de gases, fugas, envío de señales de audio y video y vieversa, et., todo ello de forma remota para evitar el riesgo humano [6]. Nuestro país no es la exepión, existen ya algunas Universidades que desarrollan proyetos e inluso onursos relaionados on diferentes modalidades de robots móviles. En la Faultad de Ingeniería Meánia Elétria, los autores están interesados en el desarrollo de sistemas móviles on fines de investigaión y doenia para promover entre la Comunidad Universitaria el desarrollo de eventos ompetitivos. De esta manera se pretende generar onoimiento en este ampo a mediano plazo, para produir tenologías dirigidas al mejoramiento del desempeño de la onduión autónoma de vehíulos, on la finalidad de utilizarlos para automatizaión de proesos o en ambientes peligrosos o de difíil aeso. * El autor agradee el apoyo reibido por el Programa de Mejoramiento del Profesorado, No. de ofiio: PROMEP/103.5/08/3228. Asoiaión Mexiana de Meatrónia A.C. 76 Instituto Tenológio de Veraruz

2 8º Congreso Naional de Meatrónia Noviembre 26-27, Veraruz, Veraruz. En este trabajo se presenta el diseño y onstruión de un robot seguidor de línea negra, que es una de las apliaiones más senillas de los robots móviles. El doumento presenta la metodología seguida para el desarrollo del proyeto, la ual onsiste a grandes rasgos en el diseño de la estrutura físia del robot, el análisis inemátio y dinámio de la misma, el diseño del iruito eletrónio y su implementaión en plaa impresa, la programaión del ontrol y grabado en un PIC16F84A, el ensamble de todos los omponentes y la puesta en marha del robot. Los elementos para la onstruión de la estrutura metália del móvil son de la mara Meano. En la figura 2 se presenta la imagen real de la estrutura físia del robot móvil, uyas dimensiones son 10.5m de anho x 21m de largo x 14m de alto. Los motores de orriente direta utilizados son de 12Volts. El motor utilizado para la traión posee una aja redutora de onstruión propia on relaión de 34:1, mientras que, el motor de direión en onjunto on la aja redutora y la transmisión polea-banda de onstruión propia posee una relaión de 30:1. 2. Diseño de la estrutura físia y modo de onduión del móvil En la atualidad existe una gran antidad de proyetos de desarrollo de robots seguidores de línea, sin embargo, la mayoría de la literatura enontrada presenta el modo de onduión diferenial, es deir, se utilizan dos motores independientes que haen la funión de traión y direión al mismo tiempo [1,2,3,4,5]. Los autores eligieron para este trabajo la estrutura on el mando de tipo triilo, para iniiarse en el importante ampo de la apliaión de los robots móviles, on fines de investigaión y doenia. En la figura 1 se presenta un diagrama del diseño de la estrutura físia del robot móvil. En este diagrama se puede observar que el motor de traión estará onetado a la rueda delantera a través del meanismo de polea-banda. Para ello, se utilizan dos poleas y una banda dentada on relaión 2:1. También se observa que en la posiión delantera se oloarán dos sensores infrarrojos CNY70, los uales reibirán la informaión del exterior y la enviarán al miroontrolador. Fig. 2. Diseño de la estrutura físia del móvil. 3. Análisis inemátio y dinámio de la estrutura del móvil Con respeto del grado de movilidad ( δ ) y m grado de direionalidad ( δ ), las estruturas de los s robots móviles se lasifian ino tipos, mediante la denominaión robot móvil de tipo ( δ, m δ ) [7]. s Bajo esta lasifiaión, la estrutura elegida en este trabajo es un robot móvil de tipo (1,1). Los robots de este tipo de tienen una o varias ruedas onvenionales fijas en un únio eje omún y también tienen una o más ruedas onvenionales entradas orientables, on la ondiión de que el entro de las mismas no se loalie en el eje de las ruedas fijas. El robot móvil presentado tiene dos ruedas onvenionales fijas en la parte trasera y una rueda onvenional entrada orientable en la parte delantera (tipo triilo ), omo se ve en la figura 3. Fig. 1. Diseño de la estrutura físia del móvil. Asoiaión Mexiana de Meatrónia A.C. 77 Instituto Tenológio de Veraruz

3 8º Congreso Naional de Meatrónia Noviembre 26-27, Veraruz, Veraruz. β Rueda de direión L1 =4.5m L2 =8m Fig. 3. Robot móvil tipo (1,1). En la literatura existen varios trabajos dediados al análisis inemátio y dinámio de los robots móviles, el análisis aquí presentado está fundamentado en [7]. Las ruedas fijas y las ruedas entradas orientables presentan los mismos dos tipos de restriiones, on la diferenia de que el ángulo β es onstante para las ruedas fijas y es variable on el tiempo para las ruedas entradas orientables: A lo largo del plano de la rueda [ sin ( α + β ) os( α + β ) l os β ] R( θ )& ξ + r & ϕ = 0 (1) Ortogonal al plano de la rueda [ os ( α + β ) sin( α + β ) l sin β ] R( θ )& ξ = 0 (2) La onfiguraión del robot se desribe ompletamente por los siguientes vetores de oordenadas: x() t Coordenadas de postura: () = Δ para las ξ t y( y) θ () t oordenadas de posiión en el plano. Coordenadas angulares: β () t para los ángulos de orientaión de las ruedas entradas orientables. Coordenadas de rotaión: ( ) () = Δ ϕ f t ϕ t ϕ () t para los ángulos de rotaión de las ruedas alrededor del eje horizontal de rotaión. Al onjunto de oordenadas de postura, angulares y de rotaión (ξ, β y ϕ, respetivamente) se le llama onjunto de oordenadas de onfiguraión. Así, las restriiones para el robot tipo (1,1) pueden reesribirse omo: J1 ( β ) ( θ ) & R ξ + J 2 & ϕ = 0 (3) C ( β ) ( θ ) & R ξ 0 (4) 1 = Rueda fija P Rueda fija x 1 x 2 Considerando que: Ruedas α β l 1 f m 2 f π m 3 3π / m Las restriiones tienen la forma (3) y (4), donde: J 1 f J 1 = = J 1 os β 3 os β os β 3 J 2 = diag( r) C1 f C1 = = C1 sin β 3 os β sin β 3 Por otro lado, resulta importante desribir las relaiones dinámias entre las oordenadas de onfiguraión ξ&, β, ϕ y el torque desarrollado por los motores aoplados al robot. A este modelo espaial de estado se le llama modelo dinámio de onfiguraión general. Se asume que el robot está equipado on motores que fuerzan la orientaión de las ruedas orientables β o la rotaión de las ruedas ϕ. El modelo dinámio de onfiguraión general tiene la forma (vea los detalles de la derivaión del modelo en [7] ): & T ξ = R ( θ ) ( β ) η (5) & β = ζ (6) donde: η y ζ son veloidades homogéneas que pueden ser interpretadas omo entradas en el sistema. A las euaiones (5) y (6) se les llama modelo dinámio de postura. Este modelo se esribe de forma ompata omo sigue: z & = B( z)u (7) Δ Δ donde: z = ξ B ( z) = R T ( θ ) u = Δ η Para el robot móvil tipo (1,1) se tiene: z & = B( z)u x& 0.045sinθ sin β 3 0 y& osθ sin β 3 0 η1 = & θ os β 3 0 ς 1 β El modelo dinámio se esribe omo: T H 1( β ) & η + ( β )& ζ + f1( β, η, ζ ) (8) = B( β, β o ) Pτ m Asoiaión Mexiana de Meatrónia A.C. 78 Instituto Tenológio de Veraruz

4 8º Congreso Naional de Meatrónia Noviembre 26-27, Veraruz, Veraruz. Fig. 3. Diseño del iruito eletrónio. Δ T donde: T B( β ) = ( β ) E ( β ) De esta manera, se tiene para el robot móvil tipo (1,1): B = [sin β 3 + os β 3 sin β 3 + os β 3 0 P = Diseño del iruito eletrónio y onstruión de la plaa impresa En la figura 3 se presenta el diseño propio del iruito eletrónio, que inluye la etapa sensorial mediante la instalaión de dos sensores CNY70, la etapa de ontrol mediante el miroontrolador PIC16F84A y la etapa de potenia mediante los dos motores de orriente direta. 1] La onstruión del iruito impreso fue basada en el iruito eletrónio de la figura 3. Sin embargo, se optó por dividir en dos partes el iruito impreso, on la finalidad de reduir el espaio oupado por el mismo. La primera parte del iruito posee la instalaión de los dos sensores CNY70, el iruito integrado LM358 y dos diodos LEDs indiadores de señal; este iruito onstituye la etapa sensorial. En la figura 4 se presenta este iruito impreso. Fig. 4. Ciruito impreso de la etapa sensorial. La segunda parte del iruito impreso omprende el Miroontrolador PIC16F84A, el reloj de uarzo de 4MHz y el integrado LM293; este iruito onstituye la etapa de ontrol y potenia. En la Figura 5 se presenta este iruito impreso. Asoiaión Mexiana de Meatrónia A.C. 79 Instituto Tenológio de Veraruz

5 8º Congreso Naional de Meatrónia Noviembre 26-27, Veraruz, Veraruz. relaión del redutor de veloidad del motor de traión es de 34:1, se obtiene que el par del motor es de 5.82mN m. Fig. 5. Ciruito impreso de la etapa de ontrol y potenia. 5. Montaje y análisis de Resultados. Enseguida se presenta el montaje final del robot móvil, que inluye los iruitos eletrónios en plaa impresa y la instalaión de los sensores al frente de la rueda delantera. Se utilizan baterías de reargables para energizar el robot móvil, on la finalidad de reduir ostos de operaión del robot y disminuir la ontribuión a la ontaminaión ambiental. Para la lógia de ontrol se utilizan 5Volts, mientras que para energizar los motores se utiliza una batería de 9Volts. En la figura 6 se presenta el robot ompletamente instalado. Fig. 6. Instalaión ompleta del robot seguidor de línea. Para realizar el ontrol del robot móvil se utilizó el miroontrolador PIC16F84A, la programaión se realizó en lenguaje ensamblador utilizando el software MPLAB IDE v7.60 y el programa se grabó en el miroontrolador usando el software IC-Prog 1.05D y un programador PIC-500. En la figura 7 se observa una parte del programa implementado para el ontrol del robot movil. El robot instalado on todos sus omponentes presenta una masa total de 650gr. Se realizaron pruebas para alular la veloidad media del robot en línea reta on baterías ompletamente argadas, la ual resultó ser de 41.6m/s. Así mismo, se realizaron pruebas para obtener el tiempo y distania de frenado, on la finalidad de obtener datos aera del tiempo de retardo al ambio de direión y el par del motor. El robot tardó en promedio 0.03s para detenerse, lo ual produe una desaeleraión de m/s 2. Puesto que se onoe la masa del robot móvil y el radio de las ruedas (2.2m), se obtuvo una fuerza de frenado de 9.01N y un par de torsión de 198mN m. Además, omo la Fig. 7. Implementaión programa para el ontrol del robot móvil. Asoiaión Mexiana de Meatrónia A.C. 80 Instituto Tenológio de Veraruz

6 8º Congreso Naional de Meatrónia Noviembre 26-27, Veraruz, Veraruz. Para la realizaión de las pruebas de desempeño del robot móvil, se utilizó la pista de pruebas mostrada en la figura 8. de Proyetos, Alfaomega, Méxio, Primera Ediión, [2] Villegas J., Marín E., Mejía C., Palaio F, Revelo B. González E. Navegaión Autónoma, Loalizaión y Desplazamiento de Piezas en Entornos Estátios y Conoidos. Extraído el 5 de Diiembre de 2008 desde: html [3] Cubas C., et al. Dispositivos Autómatas para Navegaión, Deteión Reoleión de Pelotas de Tenis en Ambientes Conoidos, Ingeniería y Desarrollo. redaly, Julio, número 009, pp , Fig. 8. Pista de pruebas del robot seguidor de línea. 6. Conlusiones. En este trabajo se presentó el diseño y onstruión de un robot móvil on estrutura del tipo (1,1) y se presentaron los detalles del análisis inemátio y dinámio del robot. La realizaión de este proyeto permitió a los autores reflexionar sobre las apaidades de maniobrabilidad de este tipo de robot, así omo las posibilidades de ontrol del mismo. Con la realizaión de este proyeto se pretende promover la partiipaión de los estudiantes de nuestra Faultad, para que se desarrollen proyetos similares on fines de doenia y para la generaión de onoimiento y nuevas apliaiones, a mediano plazo, en este ampo de la ingeniería. El omportamiento del robot resulta adeuado para seguir la línea negra. Sin embargo, se pretenden realizar trabajos futuros en los que se implementen distintas ténias de ontrol apliables a esta lase de robots. [4] Alzate A., López A., Restrepo C., Control Difuso de una Plataforma Móvil para el Seguimiento de Trayetorias, Sientia Et Tehnia. redaly, Agosto, vol. XIII, número 035, pp , [5] Jaimes C., Barrios J., Caviedes S. Informes Seguidor de línea, 23 de Mayo de 2007, Colombia. Extraído el 8 de Noviembre de 2008 desde: [6] Reyes F. et al. Diseño, Modelado y Construión de un Robot Móvil, Segundo Congreso Naional de Eletrónia, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, pp. 1-5, Puebla, Méxio, del 24 al 26 de Septiembre de [7] Campion G., Bastin G. and D Andreá-Novel B., Strutural Properties and Classifiation of Kinemati and Dynami Models of Wheeled Mobile Robots, IEEE Transations on Robotis and Automation. Vol. 12, No. 1, pp Referenias [1] Palaios E., Remiro F. y López L. Miroontrolador PIC16F84A: Desarrollo Asoiaión Mexiana de Meatrónia A.C. 81 Instituto Tenológio de Veraruz

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