“Diseño y construcción de robot seguidor de línea” SAMSA

UTEQ
Firmado digitalmente por UTEQ
Nombre de reconocimiento (DN):
cn=UTEQ, o=UTEQ, ou=UTEQ,
email=cmacias@uteq.edu.mx,
c=MX
Fecha: 2014.10.06 09:50:51 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del proyecto:
“Diseño y construcción de robot seguidor de línea”
Empresa:
SAMSA
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MECATRÓNICA
ÁREA AUTOMATIZACIÓN
Presenta:
Contreras Arredondo Luis Gerardo
Asesor de la UTEQ
M. en C. Germán Dionisio Vázquez Valdés
Asesor de la Organización
Ing. Álvaro Nieto Mureddu
Santiago de Querétaro, Qro. Octubre del 2014
Resumen
En este documento se presenta el desarrollo del proyecto “Diseño y
construcción de robot seguidor de línea” realizado en la empresa SAMSA. El
proyecto consistió en el diseño de un robot seguidor de línea capaz de
participar en eventos próximos. En el documento se muestran el diseño
elaborado en la plataforma SOLIDORKS, el diagrama de flujo de la
programación, la elaboración de
circuitos en PCB y los materiales que
conforman el robot. Al término de este proyecto se cumplió con la mayoría de
los alcances como la velocidad del robot, las dimensiones y la tensión máxima
de trabajo, queda pendiente la elaboración de dirección, base, barra y tapas
que posteriormente se realizarán.
(Palabras
clave:
carro
seguidor
de
programación, robótica)
2
línea,
diseño,
construcción,
Description
I
have
my
internship
at
SAMSA
(Servicio,
Automatización
y
Mantenimiento). SAMSA is located in Querétaro city. I work in an office and in
an atelier. The office is small; it has three white armchairs and a desk. In the
atelier there are a lot of tools and devices like cuters, cabinets, PLCs, etc. My
boss, engineer Alvaro Nieto Mureddu is an active and friendly person, he is a
little fat and he has short beard but, he doesn’t have hair.
Luis Gerardo Contreras Arredondo.
3
Índice
Resumen ............................................................................................................. 2
Description .......................................................................................................... 3
Índice .................................................................................................................. 4
I. INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 6
II. ANTECEDENTES ........................................................................................... 7
III. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................ 8
IV. OBJETIVOS................................................................................................... 9
V. ALCANCE ..................................................................................................... 10
VI. ANÁLISIS DE RIESGOS ............................................................................. 11
VII. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ................................................................. 12
VII.I CARRO SEGUIDOR DE LÍNEA ............................................................. 12
VII.II MOTOR DE CD ..................................................................................... 13
VII.II.I FUERZA. .......................................................................................... 13
VII.II.II TORQUE.. ....................................................................................... 14
VII.II.III SERVOMOTOR. ............................................................................ 15
VII.II.IV MOTORREDUCTORES. ............................................................... 16
VII.III PUENTE H ........................................................................................... 16
4
VII.III.I TRANSISTORES.. .......................................................................... 17
VII.IV MICROCONTROLADOR ..................................................................... 18
VII.IV.I ENTRADAS Y SALIDAS DIGITALES.. ........................................... 19
VII.V SENSOR ............................................................................................... 19
VII.V.I LED INFRARROJO. ....................................................................... 20
XVII.V.II FOTOTRANSISTOR .................................................................... 21
VIII. PLAN DE ACTIVIDADES........................................................................... 22
IX. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS .................................................. 23
X. DESARROLLO DEL PROYECTO ................................................................ 25
X.I INVESTIGACIÓN ..................................................................................... 25
X.II SENSORES ............................................................................................ 29
X.V PROGRAMACIÓN .................................................................................. 51
XI. RESULTADOS OBTENIDOS ...................................................................... 56
XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................. 57
XIII. ANEXOS
XIV. BIBLIOGRAFÍA
5
I. Introducción
La calidad del trabajo que brinda una empresa, es sin duda el mejor
exponente que puede tener ante su mercado. Sin embargo, para poder atraer a
nuevos clientes, la empresa se ve en la necesidad de darse a notar de otra
manera. Se planea mostrar a la empresa SAMSA ante un público nuevo con su
participación en un concurso de robótica.
SAMSA (Servicio, Automatización y Mantenimiento) es una empresa
fundada hace 8 años siendo reconocida en este momento como una empresa
especializada en el control de máquinas de bombeo. Se planea que ahora se le
conozca como una empresa flexible y abierta a cualquier tipo de proyecto de
automatización. Para ello se desarrollará un robot, el cual se presentará en
competencias de robótica.
Dentro del documento se encuentra el desarrollo del proyecto “Diseño y
construcción de robot de seguidor de línea”, el diseño realizado y la
programación del robot. Este mismo cumplirá con la normativa del concurso de
robot seguidor de línea velocista del 13° Congreso Nacional de Mecatrónica
que organiza la Asociación Mexicana de Mecatrónica.
6
II. Antecedentes
Los clientes locales de SAMSA son aproximadamente un 3% del total,
por lo que la empresa tiene un reconocimiento mayor en el extranjero que de
manera local.
SAMSA ha sido reconocida, como una empresa especializada en el
control de máquinas de bombeo en hoteles y empresas. No obstante, es una
empresa dedicada a la automatización de procesos. Esta circunstancia ha
quitado a la empresa oportunidades de desarrollar otros proyectos.
Ahora la empresa busca el crecimiento y expansión de la misma, de tal
forma que se le conozca como una empresa capaz de desarrollar proyectos de
automatización, por lo que es necesario mostrarse ante un nuevo mercado.
Las competencias de robótica llaman la atención de una gran cantidad de
personas especializadas en temas tecnológicos, por lo que se planea sacar
provecho de esto, para dar a conocer la empresa.
7
III. Justificación
Con el desarrollo de este proyecto se pretende, que la empresa llame la
atención de clientes potenciales en el mercado de la automatización y aumentar
así de entre un 2% a 3% los servicios en los que participa la empresa al
concursar en la categoría carro seguidor de línea del 13° Congreso Nacional de
Mecatrónica y posteriormente haciéndose presente en más concursos.
8
IV. Objetivo
1. Mostrar a la empresa SAMSA ante un público profesional, como una
empresa de automatización flexible y abierta múltiples de proyectos
compitiendo en torneo de robot seguidor de línea velocista del 13° Congreso
Nacional de Mecatrónica que organiza la Asociación Mexicana de Mecatrónica
que se llevará a cabo del 30 de octubre al 1 de noviembre del 2014 en
Querétaro, Querétaro.
9
V. Alcance
Elaboración de un robot autónomo seguidor de línea que cumpla con la
normativa del concurso de la Asociación Mexicana de Mecatrónica anexada a
este documento.
El robot deberá tener una velocidad igual o mayor a 1m/s.
Las dimensiones del robot deberán ser iguales o menores a 22 cm x 20
cm x 10 cm.
Manejar una tensión no mayor a los 17 V en CD.
10
VI. Análisis de Riesgos
En la tabla 6.1 se describen los factores de riesgo del proyecto.
Tabla 6.1 Análisis de riesgos
11
VII. Fundamentación Teórica
En este capítulo se presentan brevemente conceptos que ayudarán a la
comprensión de este proyecto.
VII.I Carro Seguidor de Línea
Un carro seguidor de línea es un robot autónomo capaz de detectar una
línea blanca o negra y andar sobre ella sin perder el camino. Esta clase de
robot ha sido utilizada en la industria dentro de almacenes y transporte dando
buenos resultados y sufriendo diferentes modificaciones según el caso, como lo
es el uso de sensores inductivos para detectar barras metálicas en el suelo [3].
Figura 7.1 Robot seguidor de línea.
12
VII.II Motor de CD
Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias. Transforman
una energía eléctrica en energía mecánica. Tienen múltiples ventajas, entre las
que
cabe
citar
su
economía,
limpieza,
comodidad
y
seguridad
de
funcionamiento, el motor eléctrico ha reemplazado en gran parte a otras fuentes
de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o
el hogar.
Su funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción y repulsión
establecidas entre un imán y un hilo (bobina) por donde circula una corriente
eléctrica. Entonces solo sería necesario una bobina (espiras con un principio y
un final) un imán y una pila (para hacer pasar la corriente eléctrica por las
espiras) para construir un motor eléctrico [8].
VII.II.I Fuerza. En física, una fuerza es una influencia que hace que un
cuerpo libre de someterse a una aceleración como se aprecia en la ecuación
7.1. Fuerza también puede ser descrito por conceptos intuitivos como un
empujón o un tirón que puede causar un objeto con masa para cambiar su
velocidad (que incluye a comenzar a moverse de un estado de reposo), es
decir, acelerar, o que pueden hacer que un objeto flexible [9].
Ecuación 7.1
13
VII.II.II Torque. La propiedad de la fuerza aplicada para hacer girar al
cuerpo se mide con una magnitud física que llamamos torque o momento de la
fuerza.
Entonces, se llama torque o momento de una fuerza a la capacidad de
dicha fuerza para producir un giro o rotación alrededor de un punto. En el caso
específico de una fuerza que produce un giro o una rotación, muchos prefieren
usar el nombre torque y no momento, porque este último lo emplean para
referirse al momento lineal de una fuerza.
Sea F la fuerza aplicada y d la distancia de giro, el momento de torque M
es representado en la ecuación 7.2 [9].
Ecuación 7.2
Figura 7.2 Torque
14
VII.II.III Servomotor. Es un dispositivo pequeño que tiene un eje de
rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares
específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada
exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del
engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los
piñones cambia. En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de
control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos
también se usan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots. Los Servos
son sumamente útiles en robótica. Los servomotores son pequeños, tienen
internamente una circuitería de control y son sumamente poderosos para su
tamaño. En la figura 7.3 se muestra la composición de un servomotor [7].
Figura 7.3 Servomotor
15
VII.II.IV Motorreductores. Los reductores y motorreductores mecánicos
de velocidad como el que se puede apreciar en la figura 7.4, se pueden contar
entre los inventos más antiguos de la humanidad y aún en estos tiempos del
siglo XXI se siguen utilizando prácticamente en cada máquina que tengamos a
la vista, desde el más pequeño reductor o motorreductor capaz de cambiar y
combinar velocidades de giro en un reloj de pulsera, cambiar velocidades en un
automóvil, hasta enormes motorreductores capaces de dar tracción en buques
de carga, molinos de cemento, grandes máquinas cavadoras de túneles o bien
en molinos de caña para la fabricación de azúcar. Un motorreductor tiene un
motor acoplado directamente un tren de engranes que realiza la función de
reducir o aumentar las revoluciones del motor en su salida [8].
Figura 7.4 Motorreductor
VII.III Puente H
Los puentes H son circuitos electrónicos diseñados con el fin de controlar
el sentido del giro de un motor. Estos mismos pueden ser diseñados con
16
arreglos de transistores, aunque actualmente existen circuitos integrados que
cuentan con dichos arreglos. El funcionamiento básico de estos circuitos es
controlar la dirección en que circula la corriente de alimentación del motor de tal
manera que se controla la dirección de giro. El circuito básico del puente H se
muestra en la figura 7.5.
Figura 7.5
VII.III.I Transistores. Es el componente electrónico estrella, pues inició
una auténtica revolución en la electrónica que ha superado cualquier previsión
inicial.
Con el transistor vino la miniaturización de los componentes y se llegó al
descubrimiento de los circuitos integrados, en los que se colocan, en pocos
milímetros cuadrados, miles de transistores. Estos circuitos constituyen el
origen de los microprocesadores. La simbología eléctrica de este componente y
su imagen se muestra en la figura 7.6.
Un transistor es un componente que tiene, básicamente, dos funciones:
17
1) Como interruptor habilita o deshabilita el flujo de señales eléctricas a
partir de una pequeña señal de mando.
2) Funciona como un elemento amplificador de señales.
Figura 7.6 Transistor
VII.IV Microcontrolador
Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su
interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y
Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo
circuito integrado. Son diseñados para disminuir el coste económico y el
consumo de energía de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la CPU,
la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación.
El control de un electrodoméstico sencillo como una batidora, utilizará un
procesador muy pequeño (8 bit) por que sustituirá a un autómata finito. En
cambio un reproductor de música y/o vídeo digital (mp3 o mp4) requerirá de un
procesador de 32 bit o de 64 bit y de uno o más Códec de señal digital (audio
y/o vídeo). El control de un sistema de frenos ABS (Antilock Brake System) se
18
basa normalmente en un microcontrolador de 16 bit, al igual que el sistema de
control electrónico del motor en un automóvil. En la figura 7.7 se muestra la
estructura interna de un microcontrolador [5].
Figura 7.7 Microcontrolador
VII.IV.I Entradas y salidas digitales. Las entradas y salidas digitales se
definen como la capacidad de un dispositivo controlador para recibir y enviar
señales de dos estados lógicos 1 y 0. Al programar un controlador con una
salida con un estado en 1 obtendremos una salida de tensión a la máxima
capacidad del controlador y todo lo contrario al programar un 0 [5].
VII.V Sensor
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o
químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables
eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo:
19
temperatura,
intensidad
lumínica,
distancia,
aceleración,
inclinación,
desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una
magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en un RTD),
una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión
eléctrica (como
en
un termopar),
una corriente
eléctrica (como
en
un fototransistor), etc [10].
VII.V.I Led Infrarrojo. Utilizados en su mayoría en dispositivos de control
remoto el led infrarrojo como el que se muestra en la figura 7.8, es como
cualquier otro led emisor de luz, con la diferencia de que su luz esta fuera del
intervalo de luz visible para humanos como lo dice su nombre, emitiendo así luz
infrarroja. El diámetro del diodo es de 5 mm, la longitud de onda es de 940 nm,
su tensión de trabajo es de entre 1,3 V y 1,7 V de CD, tiene un consumo de 20
mW y un ángulo de 12° para transmisión a mayor distancia [10].
Figura 7.8 Led infrarrojo
20
XVII.V.II Fototransistor Este dispositivo tiene la capacidad de regular el
flujo de corriente que transita por el dependiendo de la cantidad de luz infrarroja
que detecte. Es mayormente usado en sensores de profundidad y presencia.
El fototransistor genérico como el que se muestra en la figura 7.9, tiene
5 mm de diámetro, con filtro de luz de día, 5 microsegundos de tiempo de
recuperación y maneja 7V de colector a emisor. Su uso más frecuente es como
sensor de presencia en sistemas de contadores [10].
Figura 7.9 Fototransistor
21
VIII. Plan de Actividades
En este capítulo se muestra el plan de actividades del proyecto en el diagrama de
Gantt de la figura 8.1
Tabla 8.1 Diagrama de Gantt
22
IX. Recursos Materiales y Humanos
En este capítulo se dan a conocer los recursos materiales y humanos manejados
dentro del proyecto en las tablas 9.1 y 9.2.
Cantidad
Recursos
Costo
1
Computadora. Memoria RAM 4 GB, disco
duro 500 GB, sistema Operativo Windows,
Procesador de 1.6 GHz
4
Llantas de plástico y goma
$160
2
Motorreductores Pololu 37D x 52L
$800
1
Servomotor HD-1440ª
$190
1
Tarjeta Arduino DUE
$930
2
Módulo L298N
$299
2
Rodamiento 6mm interior 18mm exterior
$60
2
Flechas
$20
15
Cables hembra macho
$45
N
Tornillería
$20
2
Metro de cable
$20
1
Tabla fenólica
$15
9
Sensor QRD1114
$113
1
Rollo de soldadura
$20
1
Cautín
$200
1
Pinzas
$50
2
Desarmadores
$60
1
Cortadora
$ 750
1
Mototool
$1000
2
Broca 1/32”
1
1
Batería 12 V 1,2 Ah
Interruptor
Total
$5,300
$15
$160
$12
$10,329
Tabla 9.1 Recursos materiales
23
Cantidad
1
1
1
1
Elemento
Características
TSU capaz de manejar la
plataforma SolidWorks
TSU con conocimientos
en el área de
Programador de Arduino
programación y manejo
de tarjetas y software
tipo Arduino
TSU con conocimiento
del manejo de
Ensamblador mecánico
herramientas y
máquinas de trabajo
TSU con experiencia en
Diseñador de PCB
la elaboración de PCB
Tabla 9.2 Recursos humanos
Diseñador mecánico
24
Sueldo por hora
$60
$60
$60
$60
X. Desarrollo del Proyecto
En este capítulo se menciona el seguimiento de las actividades
realizadas durante el desarrollo del proyecto.
X.I Investigación
La primera parte del proyecto consistió en la investigación de las
características de un robot seguidor de línea, además de las normativas a
seguir en un concurso, así también como la detección de los posibles retos que
pueden presentarse.
Con los resultados de la investigación se detectaron retos como vueltas
de 90°, líneas entrecortadas, líneas cruzadas, rampas, túneles y desvíos.
Tomando en cuenta la duración del proyecto y los concursos cercanos,
fue seleccionado el 13° Congreso de Mecatrónica que organiza la Asociación
Nacional de Mecatrónica para la presentación del carro. Dicho congreso tendrá
diferentes competencias entre las que se encuentra la categoría de robot
seguidor de línea velocista. Se tomaron en cuenta los requerimientos de esta
competencia los cuales se encuentran anexos a este documento.
Un robot seguidor de línea se divide en tres partes básicas que son,
sensores, programa de control y motores de desplazamiento y dirección. Para
el diseño de este carro se pensó en el uso de una tarjeta con los sensores que
25
mande sus señales a la tarjeta de control, esta a su vez mande señales de
control a la tarjeta de potencia de los motores y a un servomotor como se
muestra en la figura 10.1.
Figura 10.1 Funcionamiento del robot
Para sensar la línea se tomaron en cuenta el uso de dos sensores
posibles, el CNY70 y el QRD1114. Se decidió el uso del QRD1114 por su
diseño y tamaño que se adecuaban mejor a los propósitos del proyecto además
de ser un sensor de bajo costo.
Para la parte de control se realizó una investigación para decidir ¿Qué
sistema de control era el indicado? Llegando a la conclusión de que las tarjetas
de control que ofrece Arduino son las indicadas por las siguientes razones.
26

Cuenta con grandes cantidades de equipo compatible para robótica

El tamaño de la tarjeta principal es muy pequeño, lo que facilita
introducirla dentro de un robot.

La programación en el software de Arduino, maneja código de fácil
manejo y comprensión.

El robot está sujeto a cambios para su posterior participación en otros
concursos que pueden tener un reglamento diferente y la tarjeta de
Arduino puede sopórtalos.

El uso de un microcontrolador traería consigo la construcción de una
PCB para soportarlo con sus circuitos pertinentes y esta rebasaría las
dimensiones de las que ofrece Arduino.
La tarjeta de arduino seleccionada fue la Arduino DUE, la cual se
muestra en la figura 10.2. Esta es una tarjeta electrónica basada en la CPU
Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3. Es la primera tarjeta Arduino basada en un
microcontrolador núcleo ARM de 32 bits. Lleva 54 entradas / salidas digitales
(de las cuales 12 se pueden utilizar como salidas PWM), 12 entradas
analógicas, 4 UARTs (puerto serie), un reloj de 84 MHz, una conexión USB
OTG, 2 DAC (de digital a analógico), 2 TWI, un conector de alimentación, una
cabecera de SPI, un encabezado JTAG, un botón de reinicio y un botón de
borrado. La tarjeta contiene todo lo necesario para sostener en buenas
condiciones al microcontrolador.
27
Figura 10.2 Caras de tarjeta Arduino DUE
Para el control de dirección y desplazamiento del carro se definió que se
necesitarían motores que permitirá recorrer 1 m/s. El perímetro de la llanta que
se acoplara al motor determinaría el desplazamiento del carro por cada
revolución del motor, por lo que se procedió a buscar las posibles llantas a
utilizar.
Las llantas que se obtuvieron tienen las dimensiones de 66 mm de
diámetro y 25 mm de ancho. Por lo que el perímetro de la llanta es 20.7 cm.
Esto nos indica que por cada vuelta del motor se recorren 20.7 cm, así que el
motor debe dar al menos 5 revoluciones por segundo.
El motor a seleccionado fue el Pololu 37D x 52L que se puede apreciar
en la figura 10.3. Este motorreductor tiene dimensiones de 2,05" x 1,45" × 1.45"
y opera a 12 V de CD. Estas unidades cuentan con un eje largo 0.61 ", 6 mm de
diámetro en forma D en la flecha. A 12 V de CD es capaz de alcanzar las 500
RPM y 300 mA de funcionamiento libre y tiene un torque de 84 oz-in (5 kg-cm).
28
Figura 10.3 Motorreductor Pololu 37D x 52L.
Las 500 RPM del motor se transforman en 8.3 revoluciones por segundo,
que son más que favorables aumentando la velocidad planeada de 1 m/s a 1.7
m/s.
X.II Sensores
Se realizaron varias pruebas del sensor QRD1114 para asegurar su
buen funcionamiento y el circuito con mejores resultados se muestra en la figura
10.4.
Figura 10.4 Circuito del sensor QRD1114.
En el diseñó de este circuito tuvo que considerarse que la tarjeta arduino
maneja 3.3 V en sus entradas y salidas. Con el fin de reducir espacio se evitó el
29
uso de una etapa de acondicionamiento de señal y se tomó la medida de utilizar
3.3 V para la alimentación de los sensores.
Se diseñó un circuito que cuenta con una matriz de sensores de 3x3
con el software de diseño PCB Wizard respetando el circuito para un solo
sensor como se muestra en las figuras 10.5 y 10.6
Figura 10.5 Circuito de matriz de 3x3.
30
Figura 10.6 Circuito para imprimir
Se usarán 9 sensores para tener un mejor control de dirección en el
carro, pues los robots seguidores de línea normales solo cuentan con 2.
Este circuito fue aprobado, y posteriormente se elaboro la PCB. Para
esto, se imprimió el circuito en la tabla fenólica como en la figura 10.7.
Figura 10.7 Tabla impresa
31
Después la tabla fue sumergida en acido férrico para atacar el cobre
sobrante quedando así solo las pistas del circuito como se muestra en la figura
10.8.
Figura 10.8 Tabla sumergida en ácido férrico
Una vez retirada del ácido, se limpió la tarjeta quitando la tinta de la
impresión, se perforó y se le soldaron los componentes correspondientes dando
como resultado la tarjeta que se muestra en la figura 10.9.
Figura 10.9 Tablilla terminada
32
La identificación de los sensores esta expresada en la figura 10.10 y son
ello permitir una programación mas rápida.
Figura 10.10 Correspondencia de sensores
Para asegurar el funcionamiento de la tabla, fue sometida a varias
pruebas conectándose a la tarjeta arduino. Para dichas pruebas se realizó un
fondo negro con una línea blanca y consistía en verificar el encendido de los led
infrarrojos con los que cuentan los sensores y su activación al pasar sobre la
línea blanca.
33
Las conexiones que se hicieron se muestran en la tabla 10.11
Sensor
Pin Arduino
1
A0
2
A1
3
A2
4
A3
5
A4
6
A5
7
A6
8
A7
9
A8
DC
3.3V
Ground
Ground
Tabla 10.1 Cableado de sensores
Los sensores se conectaron a los pines analógicos de la tarjeta arduino,
y la alimentación de DC fue al pin de 3.3 V.
34
Figura 10.11 Funcionamiento de sensores
Se observó que los led infrarrojos funcionaron correctamente con
el uso de una cámara, ya que con ella se puede apreciar el encendido
como lo muestra la figura 10.11. Al pasar el sensor sobre fondo negro
se obtiene una señal de 3 V como lo muestra la figura 10.12.
Figura 10.12 No detecta línea
35
Cuando el sensor empieza a detectar la línea, la señal naja su
tensión de 3 V hasta 0V como se puede apreciar en la figura 10.13
Figura 10.13 Detecta línea
X.III Módulo L298N
Para el control de los motores se seleccionó el módulo L298N el cual
puede manejar dos motores de DC con una tensión de entre 5 V y 35 V, resistir
2A de corriente en cada uno de sus canales y como se observa en la figura
10.14 tiene un tamaño de 43 mm x 43 mm x 27 mm lo que lo convierte en el
control de potencia indicado por sus características.
36
Figura 10.14 Modulo L298
Al módulo se le realizó una prueba de funcionamiento. En este caso se
conectaron los dos motores cada uno a un canal y las señales de control se
mandaron desde la tarjeta arduino. En la figura 10.15 se observan el módulo
conectado.
Figura 10.15 Prueba de Módulo L298N
37
Las conexiones realizadas se muestran en la tabla 10.17.
Pin Módulo
L298N
IN 1
IN 2
IN 3
IN 4
5V
Ground
Pin Arduino
0
1
2
4
5V
Ground
Motores
Motor
Derecho
Output A
Motor
Izquierdo
Output B
Batería
Vc
12 V
Ground
Ground
Tabla 10.2 Cableado del Módulo L298N
En cuanto al servomotor se eligió al servomotor Power HD-1140A por
sus medidas de 25 mm x 25.6 mm x 8.5 mm, maneja 5 V y un torque de 14 ozin (1,0 kg-cm). Para controlar este servomotor con la placa Arduino fue
necesario el uso de la librería “Servo” contenida en el compilador de Arduino.
Se conectó este servomotor directamente a la placa Arduino, ya que la tarjeta
cuenta con una salida de 5V y la terminal de señal del servomotor se conectó al
pin.
X.IV Diseño
El diseño mecánico del carro se realizó en la plataforma SolidWorks
2012. Se pensó que el diseño fuera en esencia un carro de 4 llantas para
38
obtener estabilidad, con dos motores acoplados a las llantas traseras y las
llantas delanteras dedicadas a la dirección con un servomotor.
Para comenzar con el diseño se digitalizaron las piezas con las que se
contaban como:
El motor el cual tuvo medidas generales de 36.8 mm x 36.8 mm x 79.6
mm, se puede observar su diseño en la imagen 10.16.
Figura 10.16 Gear Motor Pololu 37D x 52L.
La llanta que se muestra en la figura 10.17 tiene dimensiones de 66 mm
de diámetro y 25 mm de ancho con un orificio para la flecha de 6 mm.
Figura 10.17 Llanta.
39
El servomotor tiene medidas generales de 25 mm x 25.6 mm x 8.5 mm
siendo representado en la figura 10.18
Figura 10.18 Servomotor HD-1440A
Se digitalizó el accesorio del servomotor más útil para este caso. El
accesorio se muestra en la figura 10.19.
Figura 10.19 Accesorio
40
Los rodamientos utilizados en el proyecto tienen medidas de 6 mm de
diámetro interno, 18.5 mm externo y 6 mm de ancho representado en la figura
10.20.
Figura 10.20 Rodamiento
También fueron simuladas las tarjetas que se usaran para el proyecto
para tener una mejor percepción del espacio en la plataforma de diseño y
ensamblar todas las piezas como la matriz de sensores que se muestra en la
figura 10.21.
Figura 10.21 Simulación de tarjeta de sensores
41
La tarjeta de sensores que se observa en la figura 10.23 tiene
dimensiones de 60 mm x 65 mm x 11 mm y el módulo de potencia L298N
digitalizado cuenta con dimensiones de 43 mm x 43 mm x 27mm, este se
Muestra en la figura 10.22
Figura 10.22 Simulación L298N
La tarjeta de control Arduino DUE es una de las más pequeñas de la
familia de Arduino con dimensiones de 102 mm x 53 mm x 14 mm como se
muestra en la figura 10.23.
Figura 10.23 Simulación Tarjeta Arduino DUE
42
La batería de 12 V 1,2 Ah como la que se muestra en la figura 10.24 es
la pieza más grande y pesada del carro sin embargo el peso no fue tomado en
cuenta por la capacidad de torque de los motores y no hay limitaciones de peso
en la competencia. Sus dimensiones son 42 mm x 50 mm x 95 mm.
Figura 10.24 Simulación Batería
A partir de estas piezas se diseñaron: La base del motor de tal manera
que pudiera ser atornillada a la base del carro y sostener al motor
completamente. Mide 43 mm x 43 mm x 13 mm y su forma se puede observar
en la figura 10.25.
Figura 10.25 Base de motor
43
Las flechas de las llantas delanteras tienen la forma que se muestra en la
figura 10.26 y serán sostenidas con los rodamientos.
Figura 10.26 Flecha
Las bases para la dirección derecha e izquierda se diseñaron de tal
forma que el rodamiento quedara aislado en un orificio (Figuras 10.27 y 10.28),
las flechas de las llantas entrarán cruzando por el rodamiento, un pivote inferior
entrara en la base del carro, pudieran sostener una barra conectando las dos
piezas y en el caso de la segunda sostener el accesorio del servomotor. De
esta manera el movimiento que realizara una de las llantas se imitara en la otra.
La flecha cuenta mide
40 mm x 6 mm x 6mm como se muestra en la figura
10.26.
44
Figura 10.27 Dirección izquierda
Figura 10.28 Dirección derecha
La tapa de la dirección que se puede observar en la figura 10.29, se
realizó con el fin de sellar la entrada del rodamiento en el orificio de las bases
de dirección evitando así la salida del rodamiento.
45
Figura 10.29 Tapa de dirección
La barra de la figura 10.30 fue elaborada para comunicar las dos llantas
mediante la dirección., esta barra tiene una longitud de centro a centro de
85 mm.
Figura 10.30 Barra
46
La tapa del carro dedicada a cubrir la circuitería tiene dimensiones de
190 mm x 120 mm x 70 mm y se muestra en la figura 10.31. Esta solo está en
contacto con la base principal en dos puntos que son la parte trasera y la
delantera.
Figura 10.31 Tapa
Para la realización de la base se dibujó un rectángulo con los valores
límite de las dimensiones del carro y se montaron sobre él las bases de los
motores, los motores, la dirección delantera, las llantas, las flechas y las
tarjetas. Para tener una mejor maniobrabilidad se pensó en colocar el peso en
la parte trasera como se puede observar en la figura 10.32.
47
Figura 10.32 Ensamblaje 1
Se recorrió la dirección hacia la parte trasera lo más cercano posible para
disminuir las dimensiones. De la misma manera se acercaron los motores,
después fue necesario recortar la base y redondear las partes por las cuales
las llantas delanteras la tocarían en caso de girar como se muestra en las
figuras 10.33 y 10.34,
Figura 10.33 Ensamblaje 2
48
Figura 10.34 Base 1
Se realizó un soporte para la batería y el servomotor que permitirá al
carro moverse con velocidad sin peligro del daño de sus componentes. Se
terminó con la base del carro como se muestra en la figura 10.35.
Figura 10.35 Base 2
49
Para acoplar el servomotor se unió al accesorio diseñado y se atornillo a
la dirección de la llanta derecha como se muestra en la figura 10.36.
Figura 10.36 Montaje del servomotor
El carro ensamblado se puede observar en la figura 10.37
Figura 10.37 Ensamblaje 3
50
El muro al lado del carro nos muestra la altura máxima permitida en el
concurso y la superficie sobre la que esta el carro, el ancho y largo máximo
permitido. Las dimensiones finales del robot son 18.8 cm x 19.75 cm x 9 cm.
El diseño del carro se concluyó en este punto y la elaboración de la
dirección, base, barra y tapas queda inconclusa por falta de herramienta y
materia prima.
X.V Programación
Los robots seguidores de línea tienen un funcionamiento muy básico el
cual consiste en identificar en donde se encuentra la línea y a partir de esa
información retomar una dirección en otras palabras si el sensor de la derecha
detecta la línea el robot gira hacia la derecha, de igual manera, si el sensor de
la izquierda detecta la línea el robot gira a la izquierda, sin embargo, este
proceso no es muy eficiente en carros de mayor velocidad, pues estaría
cambiando constantemente de dirección y produciendo un movimiento en
zigzag y provocando una disminución considerable en la velocidad. Para evitar
este problema al común seguidor de línea se le agrega una dirección utilizando
un servomotor que servirá para controlar la dirección del carro sin cambiar la
velocidad de los motores.
En este caso se juntaron las dos propiedades anteriores, de tal manera
que se pueden controlar la dirección y la velocidad de los motores. Esto le
permite al robot tener un control más eficiente en curvas. El programa con el
51
que fue configurado el robot se basa en el diagrama de la figura 10.38 donde se
muestran 7 casos posibles que puede tener el robot.
Inicio
1
Leer el valor de los
sensores.
El sensor
4 detecta
la línea
El sensor
5 detecta
la línea
El sensor
6 detecta
la línea
Dirección=frente90°
Motores=100%
El sensor
3 detecta
la línea
Dirección=derecha70°
Motores=100%
El sensor
7 detecta
la línea
Dirección=derecha110°
Motores=100%
2
El sensor
2 detecta
la línea
Dirección=derecha45°
MotorD=70% MotorI=100°
El sensor
8 detecta
la línea
Dirección=izquierda135°
MotorD=100%MotorI=70%
1
52
2
El sensor 1
detecta la
línea
Dirección=izquierda70
° Motores=100%
El sensor 7
detecta la
línea
Dirección=derecha70°
Motores=100%
1
Figura 10.38 Diagrama de flujo
En la programación de la tarjeta Arduino DUE se hicieron uso de las
siguientes estructuras.
Para el uso del servomotor fue necesario llamar la librería Servo y
declarar el nombre del servomotor.
53
Después se configuró que pin sería el usado para conectar el servomotor
nombre.attach(pin). Esta estructura debe de colocarse dentro del Void setup y
el pin seleccionado debe ser un PWM.
Posteriormente para dar una señal de salida al servomotor se utilizó la
siguiente estructura nombre.write(N° de 0 a 255).
Mientras que para el uso de pines digitales se utiliza el siguiente código
para asignarle un pina una variable, configurar el pin como entreda o salida, leer
y escribir el valor del pin.
Para controlar el módulo L298N se utilizaron 4 pines PWM para poder manejar
la velocidad y el sentido de ambas llantas. El código para utilizar un PWM es
54
igual al de usar una entrada analógica pero con la diferencia que físicamente se
encontrara conectado a un pin digital con cualidad de PWM. Los valores del
PWM pueden variar de entre 0 para el mínimo y 255 para el máximo
55
XI. Resultados Obtenidos
Los resultados del proyecto se muestran en la siguiente tabla
Tareas
Resultados
Velocidad igual o mayor
a 1 m/s
Velocidad = 18.m/s
Dimensiones menores a
22cm x 20cm x 10cm
Dimensiones = 18.8
cm x 19.75 cm x 9 cm
Tensión menor a 17V
DC
Tensión máxima = 12
V CD
Diseño y elaboración de
tabla de sensores
Diseño y tabla
terminados
Diseño mecánico del
carro
Diseño mecánico
terminado
Programación
Programación de la
tarjeta Arduino
completado
Elaboración de piezas
Piezas faltantes
Entrega de carro
Carro no terminado
Tabla 11.1 Resultados Obtenidos
La elaboración de las piezas faltantes y la entrega del carro se realizarán
cuando se cuente con el recurso necesario.
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XII. Conclusiones y Recomendaciones
El proyecto no pudo concluirse por falta de herramienta especial para la
elaboración de las piezas como la base, la dirección y las tapas por lo que se le
dará continuidad cuando se cuente con el apoyo necesario.
El robot brinda una posibilidad de crecimiento, no solo como robot
seguidor de línea, ya que cuenta con una tarjeta Arduino bastante poderosa con
la que se puede programar y equipar para una tarea diferente con mucha
facilidad.
Se recomienda la sustitución de la batería de 12 V a 1,2 Ah por una de
mayor corriente y dimensiones iguales o menores para aumentar el tiempo de
trabajo del robot y evitar la descarga.
57
XIII. Anexos
1. Description
2. Bases para concurso de robot seguidor de línea
XIV. Bibliografía
[1 ]Arduino. (Junio de 2014). Pagina Oficial de Arduino. Recuperado el Junio de
2014, de http://arduino.cc/en/Main/Software
[2] Arduino Store. (s.f.). Recuperado 05 de 2014, de
http://store.arduino.cc/product/A000062
[3] GARAIGORTA ZARZUELA, I. (Julio de 2011). Recuperado el Junio de 2014,
de http://www.iearobotics.com/downloads/2011-07-08-pfc-i%C3%B1akigaraigorta/PFC-Inaki-Garaigorta.pdf
[4] Mecatrónica, A. N. (s.f.). Pagina Oficial de la Asociación Nacional de
Mecatrónica. Recuperado el 17 de 05 de 2014, de http://www.mecamex.org/
[5] Mricrocontroladores Galeon. (s.f.). Recuperado el Agosto de 2014, de
http://microcontroladores-e.galeon.com/
[6] Pololu.com. (s.f.). Recuperado el 23 de 05 de 2014, de
http://www.pololu.com/product/1102
[7] Pololu.com. (s.f.). Recuperado el 21 de 05 de 2014, de
http://www.pololu.com/file/download/HD-1440A.pdf?file_id=0J319
[8] Potencial Electromecánico. (s.f.). Recuperado el Julio de 2014, de
http://www.potenciaelectromecanica.com/calculo-de-un-motorreductor/
[9] Profesor en línea. (2014). Recuperado el Junio de 2014, de
http://www.profesorenlinea.com.mx/fisica
[10] Steren. (2014). Catalogo de Steren. Recuperado el Septiembre de 2014, de
http://www.steren.com.mx/catalogo