Instrumentación y Sistemas de Control para Procesos Industriales

Convenio I.E. General Santander – Universidad de Pamplona

Paper Robot Seguidor de Trazos

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1. INTRODUCCIÓN

La robótica es una de las aplicaciones más apasionantes de la electrónica. Un robot seguidor de línea se clasifica en el campo de la robótica móvil un grupo de la rama de robótica. 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).
Entre las aplicaciones de robots móviles se encuentra el transporte de carga en la industria, robots desactivadotes de explosivos, exploración de terrenos no aptos para el hombre entre este ultimo podemos destacar los robots Spirit y Oportunity desarrollados por la NASA. Otra aplicación destacable se encuentra en un sofisticado puerto de descarga en Inglaterra, en donde la carga proveniente de los barcos se transporta en robots móviles del tamaño de un autobús, siendo esta operación totalmente controlada.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar un robot seguidor de trazos.

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Comprender el funcionamiento básico de un robot seguidor de trazos.

2. Identificar los componentes básicos de un robot seguidor de trazos.

3. Realizar el diseño del circuito en Proteus.

4. Realizar el quemado de la baquelita del circuito.

5. Realizar el montaje de los componentes.

6. Implementar las pruebas y ajustes necesarios.

3. NIVEL FÍSICO

A. Estructura: La estructura de un robot seguidor de línea puede ser elaborada de una lamina de acrílico, aluminio o madera, que se pueden conseguir fácilmente en el mercado. Esta proporciona apoyo para los motores, el circuito impreso y la rueda libre.  Las llantas del móvil se encuentra en configuración diferencial, debido a que la dirección que tome depende de la diferencia de velocidad entre sus dos llantas, es por eso que cada llanta es independiente de la otra. La rueda libre es la que aporta el apoyo en la parte posterior, esta debe exhibir la característica de rodar y pivotar sobre si misma con un movimiento lo mas suave posible para no dificultar la rotación del robot.

B. Motores, Llantas y caja reductora: La mayor parte de los motores que se utilizan en un robot giran demasiado rápido y no tiene el torque suficiente, es por eso que es recomendable o casi imprescindible utilizar una caja de piñones reductora. Esta permite transformar un pequeño motor rápido, pero poco potente, en un motor mas lento pero con mejor torque. Estas cajas reductoras se pueden extraer de juguetes pequeños disponibles en el mercado. Para impulsar el robot se pueden utilizar motores DC que posean la característica de girar a igual velocidad en los dos sentidos. Se recomienda utilizar motores de unidades de CD o de secador. Las llantas deben ser de caucho o de un plástico blando para que no patinen.

4. NIVEL SENSORIAL

Las llantas del móvil se encuentra en configuración diferencial, debido a que la dirección que tome depende de la diferencia de velocidad entre sus dos llantas, es por eso que cada llanta es independiente de la otra.

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.

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, pero debido a que estos no se encuentran en el mercado regional, se recomienda construir con un fotodiodo y un transistor (2N3904) como muestra en la siguiente fígura. Restando solamente el diodo emisor.

Cuando el diodo LED infrarrojo emite un haz de luz, en el punto a. se obtiene una señal de nivel alto o bajo dependiente de la superficie en la que refleje, si el sensor se encuentra en la línea negra el voltaje sube, cuando esta sobre la superficie blanca el voltaje baja. 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.

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, pero debido a que estos no se encuentran en el mercado regional, se recomienda construir con un fotodiodo y un transistor (2N3904) como muestra en la siguiente fígura. Restando solamente el diodo emisor.

Cuando el diodo LED infrarrojo emite un haz de luz, en el punto a. se obtiene una señal de nivel alto o bajo dependiente de la superficie en la que refleje, si el sensor se encuentra en la línea negra el voltaje sube, cuando esta sobre la superficie blanca el voltaje baja. 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.

Cuando el diodo LED infrarrojo emite un haz de luz, en el punto a. se obtiene una señal de nivel alto o bajo dependiente de la superficie en la que refleje, si el sensor se encuentra en la línea negra el voltaje sube, cuando esta sobre la superficie blanca el voltaje baja. 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.

5. NIVEL DE CONTROL

El circuito de control es el que proporciona las señales hacia los actuadores dependiendo de las señales obtenidas en los sensores. Esta conformado básicamente por las etapas visualizadas en la figura a continuación.

El emisor del circuito sensor esta compuesto por un diodo emisor infrarrojo (D1), y una resistencia R1. El receptor del circuito sensor esta compuesto por el Fotodiodo receptor de infrarrojos (D2), el transistor Q1, y la resistencia R2. Para R2 se recomienda valores de resistencia superiores a 100 K. En el punto a se obtienen dos valores de voltaje, dependiendo de la reflexión. Estos dos valores ser cambiados por 0v y 5v a través del circuito comparador.

a. Circuito comparador y etapa de potencia: Este circuito se encarga de normalizar los niveles entregados por el circuito sensor. La etapa de potencia (M1, Q1) se encarga de proporcionar la corriente necesaria al motor. La etapa de potencia propuesta, es una sencilla forma de activar un motor, pero se podría cambiar por; un puente H, que permite el cambio de dirección del motor; Relés, los cuales manejan mayores corrientes; Drivers para motores (L293, L298) que permiten cambio de dirección, frenado y manejo de mayores corrientes.

El circuito comparador (R3, IC1) entrega 0V o 5V a la base de 5 voltios dependiendo de si el valor de voltaje en el punto a es menor o mayor al valor de voltaje en el punto b, respectivamente. Para este caso el valor de el punto b se debe ajustar en un punto intermedio entre los dos valores entregados por el circuito sensor (punto a).

b. Algoritmo de seguimiento: Aquí se relacionan las señales de los sensores con las señales de control sobre los motores. Donde, Sx = 0, indica que el sensor no esta sobre la línea. Y Sx=1, indica que el sensor se encuentra sobre la línea.

c. Estado A: En este estado ambos sensores se encuentran fuera de la trayectoria. En este caso ambos motores se detienen y el móvil debe ser colocado a su trayectoria de forma manual. Debido a la sencillez de este control el móvil no es capaz de retomar la trayectoria. Pero se puede implementar un algoritmo de corrección de trayectoria con una lógica programable (microcontroladores).

d. Estado B: En este caso el móvil se ha desviado levemente hacia el lado izquierdo respecto a la línea, como tal, solamente el sensor derecho (Sd) se encuentra sobre la línea de trayectoria. La acción correctiva es desenergizar el motor derecho para que el motor izquierdo aun activo corrija la trayectoria.

e. Estado C: En este caso el móvil se ha desviado levemente hacia el lado derecho respecto a la línea, como tal, solamente el sensor izquierdo (Si) se encuentra sobre la línea de trayectoria. La acción correctiva es desenergizar el motor izquierdo para que el motor derecho aun activo corrija la trayectoria.

f. Estado D: En este caso ambos sensores se encuentra sobre la línea negra, por consiguiente el móvil no debe hacer ninguna corrección de su dirección, o sea ambos motores deben seguir activos, idealmente en una trayectoria recta y larga si el móvil esta alineado y tiene igual velocidad en sus llantas este no debe hacer ninguna corrección hasta que encuentre una curva.

g. Pruebas y correcciones: Se debe probar que cada uno de los sensores conmute entre dos voltajes cuando pase de la superficie blanca a la línea negra. Si la señal medida en el punto a no varia o su variación es muy pequeña se recomienda intentar balancear con diferentes valores de R2.  Se debe ajustar el voltaje de referencia en el punto b con la resistencia variable R3 de tal forma que el motor se active y se desactive dependiendo del cacambio de superficie que observen los sensores.

RECOMENDACIONES REALIZADAS POR EL DOCENTE:

Fuente de alimentación: Para energizar los circuitos del móvil se recomienda utilizar baterías recargables pues estas proporcionan mayores corrientes que las baterías no recargables. Se puede utilizar un arreglo de baterías recargables en formato AA ya que presentan una buena capacidad en tamaño reducido y además se consiguen en le mercado fácilmente, otra buena opción es hacer uso de baterías recargables que se utilizan en diferentes artículos electrónicos que proporcionan las cantidades de corriente (1000mAH) y voltaje (6V – 12V) necesarias.

DIFICULTADES ENCONTRADAS POR LOS ESTUDIANTES DURANTE EL DESARROLLO DEL PROYECTO:

– Falta de recursos económicos.

– Falta de tiempo para terminar el proyecto en casa, debido a los múltiples deberes escolares.

– (otras que cada grupo pueda adicionar).

DISEÑO REAL DEL CIRCUITO:


CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES:

El cronograma de actividades se realizó en Microsoft Project para ilustrar cada una de las tareas:

-Descargue aquí el cronograma del robot seguidor de trazos.

WEBGRAFÍA Y BIBLIOGRAFÍA

http://www.x-robotics.com: Información sobre sensores, motores, mecanismos, microcontroladores, etc.

http://www.eurobotics.org: Muestra la construcción de un móvil seguidor de línea.

Robots Móviles estudio y construcción, Frederic Giamarchi, Ed. Paraninfo. Disponible en Biblioteca.

Microcontrolador PIC16F84 desarrollo de proyectos, F. R. Domínguez, E. Palacios, L. J. López, Ed. Alfaomega. Tiene un capitulo sobre la construcción de un microbot seguidor de línea.

Frederic Giamarchi, Robots Móviles estudio y construcción, Ed. Paraninfo.

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Written by pgalvisvera

8 mayo, 2011 a 18:10

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