Robot Seguidor De Linea

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GRHOMANN FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE FISICA APLICADA CURSO: CONTROL DIGITAL

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN FACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA APLICADA FISICA ELECTRONICA CONSTRUCCION DE UN MICROROBOT SEGUIDOR DE LINEA TRABAJO DE INVESTIGACION

Curso

: Control Digital

Docente

: M.Sc. Alberto E. Cohaila Barrios

Presentado por

: Shuely Jakeline Tapia Calizaya

Tacna 23 de enero del 2009

Por:

Shuely Tapia Calizaya [email protected]

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“ROBOT SEGUIDOR DE LINEA” En este pequeño proyecto vamos a detallar la construcción de un Robot seguidor de línea negra pintada sobre un fondo blanco, a partir del cual podamos desarrollar todas nuestras habilidades y conocimientos de mecánica y electrónica. 1. Motivación del Proyecto: Un robot seguidor de línea se clasifica en el campo de la robótica móvil. La tarea fundamental de un robot móvil es el desplazamiento en un entorno conocido o desconocido, por tanto es necesario que posea tres funciones fundamentales, la locomoción (nivel físico), la percepción (nivel sensorial) y la decisión (nivel de control). 2. Metodología Adoptada: En la metodología adoptada, vamos a clasificar la construcción del robot en tres niveles, cada uno de los cuales se diferencia un paso en el diseño y construcción del microrobot. Estos niveles son: A. Nivel Físico: Comprende la estructura física, las unidades motoras (Motor de corriente continua de pequeña potencia). La estructura de un robot seguidor de línea puede ser elaborada de una lamina de acrílico, aluminio, madera o de plástico, que se pueden conseguir fácilmente en el mercado. Esta proporciona apoyo para los motores y el circuito impreso. En nuestro caso usamos la parte de dos carritos de juguete unidos por pernos que al final nos dieron una apariencia similar a la Figura Nº 01.

Figura Nº 01: Chasis del seguidor de línea

Para impulsar el robot se utilizaron motores de corriente continua que posean la característica de girar a igual velocidad.

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B. Nivel Sensorial: Esta formado por el conjunto de sensores (Sensor óptico reflexivo CNY70) y de los sistemas básicos para su manejo. La percepción de este robot es de tipo visual, aunque no debemos pensar que el robot va a ver. Su captación visual consiste en diferenciar entre dos colores. Para este caso, la línea de color negro sobre una superficie blanca. Aprovechando la propiedad física de la reflexión, el diodo emite una luz infrarroja dirigida hacia el suelo, y el fototransistor recibe los fotones generados por la reflexión que se produce sobre el suelo.

Figura Nº 02: Sensor Infrarrojo

Para nuestro caso, se debe disponer dos sensores ubicados en los bordes de la línea negra. Los sensores adecuados para este tipo de aplicaciones son CNY70. Se deben realizar pruebas sobre la ubicación de los sensores para que el móvil se desplace adecuadamente, porque puede suceder que aun cuando los sensores reconozcan la línea negra y el circuito de control realice la corrección de trayectoria, el móvil se salga de curso por la velocidad y masa del mismo (cantidad de movimiento). De esta forma los casos a tener en cuenta es: distancia entre el eje de las llantas y los sensores, distancia entre los mismos sensores con respecto al ancho de la línea negra y su alineación. C.

Nivel de Control:

Incluyen los circuitos básicos que relacionan las salidas de los sensores con las restantes unidades (en nuestro caso PIC16F84A y Trigger Schmitt 40106). En este nivel se busca dotar al microrobt de la capacidad para procesar la información obtenida por los sensores, así como actuar de una manera controlada sobre las unidades motoras. El circuito de control es el que proporciona las señales hacia los actuadores dependiendo de las señales obtenidas en los sensores, las cuales son evaluadas de acuerdo al programa grabado en el PIC.

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DESARROLLO DEL SISTEMA “MIROROBOT SEGUIDOR DE LINEA” 1. DESARROLLO DEL SISTEMA “MICROROBOT SEGUIDOR DE LINEA”

1. INFORMACIÓN OBTENIDA DE LOS ELEMENTOS A USAR: a. INVERSOR TRIGGER SCHMITT 40106 Algunos sensores no proporcionan señales digitales puras y es necesario conformar dichas señales antes de aplicarlas al microcontrolador, como en el ejemplo que se muestra en la Figura Nº 03:

Figura Nº 03: Señales de entrada y salida de un circuito Trigger Schmitt

Una forma sencilla de conformar una señal en digital es mediante puertas Trigger Schmitt, como las que tiene el circuito integrado 40106. Este dispositivo contiene seis inversores Trigger Schmitt encapsulados. PARAMETRO VDD MINIMO TIPICO MAXIMO 5.0 2.2 2.9 3.6 VT+ 10 4.6 5.9 7.1 15 6.8 8.8 10.8 5.0 0.9 1.9 2.8 − 10 2.5 3.9 5.2 VT 15 4.0 5.8 7.4 + − Tabla Nº 01: Valores de VT y VT para el 40106 (todos los valores en volteos) Estos circuitos son de gran utilidad cuando se desea controlar un circuito digital con señales que no lo son ó señales digitales con una señal de ruido sumada. En la Figura Nº 03 se muestra como actúa un circuito no inversor frente a una señal que no es puramente digital. Cuando la señal V1 alcanza el valor VT+ la salida V0 bascula a un nivel alto y no vuelve a tomar un nivel bajo hasta que la entrada no llegue a VT− .

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En conclusión un dispositivo Trigger Schmitt produce transiciones de salidas limpias y rápidas, aunque la entrada no se lea. El microcontrolador posee la línea RA4 como entrada Trigger Schmitt que puede utilizar para este fin sin necesidad de intercalar un 40106. b. SENSOR ÓPTICO CNY70: El CNY70 es un sensor óptico reflexivo con salida a transistor la que se observa en la Figura Nº 4. Tiene una construcción compacta donde el emisor de luz y el receptor se colocan en la misma dirección para detectar la presencia por medio del empleo de la reflexión del haz de luz infrarrojo IR (infrared) sobre el objeto. La longitud de onda de trabajo es de 950nm. El emisor es un diodo LED infrarrojo y el detector consiste en un fototransistor. La distancia del objeto reflectante debe estar entre los 5 y 10mm de distancia.

Figura Nº 04: Sensor óptico reflexivo con salida a transistor CNY70

Para conectar estos dispositivos hay que polarizarlos, esa es función de las resistencias del circuito de la Figura Nº 05, donde se muestra las dos posibles formas de conexión, según se quiera la salida alto para el color blanco o negro. El inversor Trigger Schmitt 40106 se intercala para conformar las tensiones a valores lógicos. Hay que tener en cuenta que los valores de transición de las puertas son VT+ =2,9V y VT− =1,9V para una tensión de alimentación de 5V y no podemos variarlos.

Funcionamiento del Circuito (A): Detectar BlancoÆTransistor SaturadoÆEntrada al Inversor “0”ÆEntrada al uC “1” Detectar NegroÆTransistor en CorteÆEntrada al Inversor “1”ÆEntrada al uC “0”

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Figura Nº 05: Circuito típico de conexión del CNY70

Funcionamiento del Circuito (B): Detectar BlancoÆTransistor SaturadoÆEntrada al Inversor “1”ÆEntrada al uC “0” Detectar NegroÆTransistor en CorteÆEntrada al Inversor “0”ÆEntrada al uC “1”

c. MICROCONTROLADOR PIC16F84A Un microcontrolador es un circuito integrado programable capaz de ejecutar las órdenes o comandos que están grabados en su memoria. Es un computador dedicado destinado a gobernar una tarea en específico por lo cual tiene unas características limitadas (pero con una gran potencialidad). Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del tiempo, su implementación física ha variado frecuentemente. El PIC16F84A es un microcontrolador de la familia Microchip esta encapsulado en un DIL de 18 pines, con una velocidad de proceso de hasta 10 MHz, (versión avanzada del PIC 16F84A-20 puede llegar hasta los 20 MHz) tecnología CMOS, alimentación a 5V, constituido por líneas digitales de entradas/salidas (el puerto A con 5 líneas y el puerto B con 8 líneas). En la figura siguiente se muestra el diagrama de conexiones del PIC16F84A

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Figura Nº 06: Disposición de las patillas del PIC16F84A

2. PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO: FASES: a) Construcción del Nivel Físico: En esta fase construiremos la estructura del microrobot para lo cual emplearemos dos carritos de juguete tal como se menciono anteriormente. b) Implementación del Nivel Sensorial: Una vez terminada la primera fase nos centraremos en la percepción del microrobot, para la cual realizaremos pruebas en el protoboard para comprobar la lógica de funcionamiento de los sensores CNY70. c) Simulación del Nivel de Control: En esta fase nos centraremos en el desarrollo del programa del PIC en lenguaje asembler para lo cual usaremos el software Microchip MPLAB. Una vez terminado el programa del PIC, revisaremos el correcto funcionamiento de nuestro programa en el software de simulación Proteus Profesional 7.2. d) Diseño del PCB del proyecto: Después de haber comprobado el correcto funcionamiento de dichos niveles, toca diseñar el circuito PCB para posteriormente quemarlo en una placa de baquelita; el software a utilizar es el conocido ExpressPCB. e) Construcción del Robot: Finalmente en esta fase uniremos los circuitos de percepción y control del microrobot a la estructura física. Luego verificaremos el correcto funcionamiento de los circuitos usando el Multímetro. Por:

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Fase de pruebas del Robot: Una vez ensamblado nuestro microrobot procederemos a la prueba de fuego, en la cual comprobaremos en correcto funcionamiento de nuestro Robot Seguidor de Línea. 3. COMPONENTES ELECTRÓNICOS: o Los componentes electrónicos se consiguió en las tiendas electrónicas (puede variar su precio) Cantidad 2 1 4 1 2 2 1 1 1 1 2 2 1 4 1 4 4 2 1 1 1 2 1 1

Por:

Componente

Precio/Unidad Precio (S/.) (S/.) Inversores Trigger Schmitt 40106 2.00 4.00 PIC 16F84A 13.50 13.50 Sensores CNY70 9.00 36.00 Cristal de 20 MHz 2.00 2.00 Transistores BD139 1.50 3.00 Transistores BC547 0.40 0.80 LM7805 2.00 2.00 Condensador de 1000uF/25v 1.00 1.00 Condensador de 100/16v 0.80 0.80 Condensador de 100nF 0.20 0.20 Condensadores de 15pF 0.20 0.40 Switch 1.50 3.00 Diodo 1N4007 0.20 0.20 Diodo 1N4148 0.20 0.80 Pulsador normalmente abierto 0.50 0.50 Resistencias de 18k Ω 0.10 0.40 Resistencias de 220 Ω 0.10 0.40 Resistencias de 4.7k Ω 0.10 0.20 Resistencia de 10k Ω 0.10 0.10 Juego de Yampers 1.70 1.70 Molex de 2 pines 0.50 0.50 Molex de 4 pines 1.00 2.00 2 Metros de Estaño 0.50 1.00 Frasco de Oxido Ferrico 3.50 3.50 Placa de Baquelita para 2.00 2.00 impresión de circuitos 79.6 TOTAL (S/.)

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4. FLUJO DE DISEÑO: Antes de realizar un programa en asembler para nuestro PIC, hay que establecer la estrategia que debe seguir el microrobot, ya sea un comportamiento como un robot seguidor de línea o para cualquier otra función. De esta manera podremos fijar el algoritmo de control. En principio emplearemos las siguientes estrategias para diseñar el algoritmo de funcionamiento de nuestro microrobot:

Algoritmo para seguir la línea negra: Dependiendo de la posición de los sensores podemos hacer que el microrobot tome las decisiones mostradas según la Figura Nº 07.

Figura Nº 07: Posición de los sensores

En la Figura Nº 07, podemos ver el posicionamiento de los sensores, tener en cuenta que los cuadros indican lectura del sensor correspondiente: si es blanco indica que detecta fondo blanco y si es negro que se encuentra encima de la línea negra.

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En las figuras mostradas anteriormente observamos las diferentes posibilidades de lectura de los sensores, con esto nos será mas fácil diseñar el algoritmo para nuestro programa el cual mostraremos posteriormente. Analizando las figuras detenidamente, se comprobó que el seguimiento de la línea depende de la precisión del camino seguido por el robot, es decir, depende de la anchura de la pista. Ya que esto puede ocasionar retrasos en el recorrido, cabeceos no deseados o incluso que llegue a salirse del camino.

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5. DIAGRAMA DE FLUJO DEL ROBOT SEGUIDOR DE LÍNEA: El Programa del Robot Seguidor de Línea se realizo en lenguaje asembler usando el software MICROCHIP MPLAB por derechos de autor es que se ha obviado el brindar el código del programa.

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6. FASE DE ELABORACIÓN: Diagrama Circuital Principal: Para el desarrollo del diagrama circuital usamos el conocido software de simulación Proteus Profesional 7.1.

Figura Nº 08: Diagrama Circuital

En la Figura Nº 08, podemos observar todos los circuitos del robot seguidor de línea. En las siguientes líneas explicaremos el funcionamiento de nuestro circuito:

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Partimos de las entradas lógicas, las cuales son las lecturas que tomaran los sensores CNY70 según el punto 4 ya mencionado, el motivo por el cual optamos probar nuestro circuito así, fue que no existía una librería para el sensor CNY70 en el software.

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Una ves que tenemos nuestras entradas lógicas, las hacemos pasar por el Trigger Schmitt para poder mejorar las señales que Shuely Tapia Calizaya [email protected]

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tomaran los sensores, cabe resaltar que lo hacemos pasar dos veces para una mejor rectificación. -

Las señales tomadas por los sensores ya digitalizadas por el Trigger Schmitt, pasan directamente al microcontrolador PIC16F84A por el Puerto B, para dar inicio al programa ya codificado.

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Las salidas para controlar el giro los motores de corriente continua lo realizamos por el Puerto A del microcontrolador por los pines, RA0 que controla el Motor 2 y RA1 que controla el Motor 1.

-

También observamos que uno de los extremos de los dos motores están conectados a 3 v, es decir, que para que exista giro alguno la tensión en los colectores de los dos transistores debe ser un “0” lógico.

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El control de giro de los motores los realizamos con ayuda de unos transistores BJT (Transistor Bipolar de Juntura) BC547 y BD139, los cuales hacemos actuar como simples interruptores. La lógica de funcionamiento es de la siguiente manera:

Los transistores trabajaran solo en corte y saturación, es decir están configurados como interruptores “interruptor abierto” o “interruptor cerrado”. Æ Cuando tenemos una salida de un “1” lógico por el pin RA0 ó RA1, observamos que la tensión en el colector de los dos transistores es aproximadamente 0.8 v que es considerado un cero lógico. “GIRA MOTOR”

Figura Nº 09: Tensión en el colector a una entrada de un “1” lógico

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Æ Cuando tenemos una salida de un 0 lógico por el pin RA0 ó RA1, observamos que la tensión en el colector de los dos transistores es 3v, el cual no es más que la alimentación de los motores. “MOTOR PARADO”

Figura Nº 10: Tensión en el colector a una entrada de un “0” lógico

7. DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO DEL MICROROBOT: Para el diseño del circuito impreso usaremos el software ExpressPCB, para tal diseño, tal como mostramos en las siguientes figuras:

Figura Nº 11: DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO

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8. FASE DE CONSTRUCCIÓN: Una vez comprobada toda la lógica de funcionamiento tanto del nivel de sensorial como del nivel control procedemos a la construcción del microrobot seguidor de línea, tal y como mostramos en las siguientes figuras:

Figura Nº 12: Circuito Final del Nivel de Control

Figura Nº 13: Circuito de Alimentación

Figura Nº 14: Circuito Final del Nivel Sensorial

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9. SOLUCION A LOS PROBLEMAS QUE SE PRESENTARON: El Robot Seguidor de Línea construido, recorrió el camino de prueba puesto por nosotros, teniendo deficiencias al momento de girar en 90º debido a que no posee un control de velocidad, perdiendo el camino por momentos y a veces totalmente. Cabe resaltar que el problema mencionado lo podremos solucionar agregando un Nivel mas que para nosotros seria un regulador de tensión únicamente para los motores, por que cuando se realizaron las pruebas la velocidad del microrobot depende de la tensión que tengan los motores al momento de girar. La tensión con la que nuestro microrobot seguía la línea sin problemas es de aproximadamente 2.6 v; cabe resaltando que en el circuito diseñado a ultimo momento “REGULADOR DE TENSIO” solucionara el problema al recorrer el camino de prueba. Dicho regulador poseerá un potenciómetro el cual cumplirá la función de regula la tensión de entrada a los motores. Pudiendo recorrer el camino de 90º sin desviarse de él, con ello la CONSTRUCION DE UN ROROBOT SEGUIDOR DE LINEA queda concluida.

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10. PLANTEAMIENTO PARA LA CONTINUACIÓN DEL PROYECTO: Lo que propongo para la continuación del proyecto seria:

Por:

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En primer lugar, la mejora del programa del microcontrolador y/o añadir 2 sensores mas si es que la pista lo requiriera, para poder participar en competencias de Microrobots seguidores de línea.

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También seria añadir un nivel de control mas, para poder controlar el microrobot inhalambricamente desde un PC y observar lo que el microrobot vea en su recorrido a través de una WebCam por ejemplo.

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