diseno sistema robot cer
TRANSCRIPT
-
7/27/2019 Diseno Sistema Robot CER
1/7
1
Diseo del Sistema Mecnico y el
Programa De Control de un Robot Sumode Acuerdo a las Especificaciones del
CER2009
Ximena Benavides, Javier Fontalvo, Anglica Jaramillo,Santiago Sandovaln, Felipe Sarche, Mario Vega
Resumen.- El presente artculo describe
el funcionamiento del sistema mecnico
y la lgica de programacin de un
robot sumo que cumpla con las
especificaciones previstas para el
concurso CER2009 de robtica. Se
muestran las caractersticas principales
de la constitucin fsica del robot, los
sensores escogidos para la deteccin del
robot rival y de los lmites del rea de
combate y la distribucin y control del
conjunto conformado por los dos
motores que impulsan al sistema y la
fuente de poder. La lgica delfuncionamiento tambin es indicada,
acompaada por el diagrama de flujo
del programa de control del sistema.
IntroduccinEl combate sumo consiste en elenfrentamiento de dos robots, conocidos
como sumobots, cada uno de los cualesprocura sacar al otro del rea de combate,
conocida como ring, a la vez que debeevitar el ser sacado de ella por su rival. El
concurso de robtica CER2009, en cuyasbases se basa el sumobot presentado en
artculo, define dos categoras sumoliviano con un peso de 3kg+/-10% para la
categora liviana, y de 3.10 a 4kg para lacategora pesada. En el caso del sumobot
presentado, este ingresa dentro de la
categora pesada, con un peso neto de3.66 kg. Las principales preocupaciones
a la hora de construir un robot sumodeben estar centradas en la eleccin
correcta de los sensores destinados tanto ala deteccin del adversario como a la
deteccin del borde del rea de combate,con lo cual se pueden realizar las acciones
necesarias para evitar el ser sacado deella. Adems debe tenerse en cuenta eltipo de motores que deben utilizarse,
teniendo en cuenta que el sumobot debe
ser lo suficientemente potente paraimpulsar al contrario fuera del ring yadems poseer la capacidad para frenar
con la suficiente rapidez y eficiencia alllegar al borde sin salir del rea de
combate. Debe tomarse en cuenta tambinque el robot debe ser totalmente
autnomo, por lo que la fuente de energadebe estar integrada en el sistema
mecnico. Con todo lo especificadoanteriormente debe corresponder la lgica
que gobierna el comportamiento del robotsumo, lo que lleva a una de las acciones
ms importantes en el diseo de unsumobot: la programacin del sistema
microprocesado. El programa de controldel robot debe contemplar las acciones de
ataque y evasin, el retorno desde elborde hacia la pista al detectar el borde
-
7/27/2019 Diseno Sistema Robot CER
2/7
2
blanco que limita al ring as como otras
acciones adicionales tales como el tiempode seguridad, en el caso de la competicin
de 7 segundos.
Sistema mecnico
El robot est formado por una carcasa deacero inoxidable, de medidas 25cm de
largo, 20 cm de ancho y 15 cm de altura.A partir de los 20 cm de largo se coloca
una plataforma inclinada 45 y elevadadel suelo 2 cm, lo que permite
incrementar la efectividad del golpe a lavez que disminuye los efectos de un
ataque frontal por parte del sumobotcontrario.
El sumobot es impulsado mediante dosmotores, cada uno de los cuales se
encarga de manejar un lado del robot. Ladisposicin de los motores se muestra en
la figura 1.
Figura 1. Distribucin de los motores en
el sumobot
Los motores utilizados en el robot sonmotores de DC de 4V y 3A, usados en
taladros pequeos, con los cuales seobtiene una potencia alta: 8W lo que se
traduce en un alto torque en los ejes delas ruedas logrando con esto el impulso
suficiente para sacar al rival de la tarima.La velocidad de los motores DC es de
295 rpm con la caja reductora, lo quesignifica una rapidez del sumobot alta.
Por construccin los motores vienen
acoplados a una caja reductora, conjuntoque le confiere al eje la caracterstica de
necesitar una alta potencia para moverlo,esto permite el evitar la construccin de
un circuito de freno regenerativo, quehubiera sido necesario de usar otro tipo de
motor, pues los motores al detenerse nopresentan inercia con lo que no es
necesario regresar energa del motor a larespectiva batera. Los motores son
alimentados mediante dos bateras de14.4 V, propias de los taladros, colocadas
sobre la cara superior de una superficieque se halla dividiendo el compartimiento
interno del sumobot, ambas baterasaseguran un tiempo de autonoma para el
robot de 45 minutos. El control de losmotores se realiza mediante un puente H,
que trabaja con dos seales de controlpara invertir el giro de los motores, una
seal PWM para el control de lavelocidad y dos seales para el sensado
de corriente lo que permite realizar uncontrol proporcional de la velocidad del
motor, con lo que se cambia la potenciaen funcin de la seal PWM.
El circuito correspondiente al puente Hest conformado por dos rels para la
inversin de giro, el microcontroladorenva una seal de 5V al terminal
normalmente abierto de los relscambiando la polaridad de los bornes del
motor DC. Con el uso de los rels sepuede manejar una mayor cantidad de
corriente que en el caso de lossemiconductores de potencia. El chopeo
se realiza mediante un TIP145, transistorDarlington de potencia. El sumobot
presenta una velocidad normal en unancho de pulso del PWM de 227 de unmximo de 255, velocidad con la que el robot
ataca a su rival. Adems se incluyen dos
ventiladores de 8V que sirven para elcontrol de temperatura de los transistores
de potencia. El diagrama circuital y laplaca con el circuito se pueden observar
-
7/27/2019 Diseno Sistema Robot CER
3/7
3
en las figuras 2 y 3 respectivamente. Para
la deteccin del sumobot rival seutilizarn dos sensores ultrasnicos del
tipo SFR05, que presentan comocaractersticas principales un rango de
deteccin de 4m, estn compuestos cadauno por dos elementos, un emisor que
transmite 8 pulsaciones despus de que laentrada del sensor recibe una seal de
disparo (trigger) de por lo menos 10 ms, yun receptor que recibe la seal de eco que
se obtiene del choque entre los pulsosenviados y el objeto detectado.
Figura 3. Circuito para el puente H y el
semiconductor para el chopeo
Hay dos modos de funcionamientobasados en distintas conexiones: una con
el uso de dos pines para emisin y paratransmisin respectivamente, y otra que
recibe la seal de eco por el mismo pin deenvo de pulsos. El sumobot diseado
utiliza la segunda forma de conexin,para mejorar la disponibilidad de espacio.
La salida del sensor se halla normalmente
en bajo, cuando se envan los pulsos estase pone en alto y al recibir el eco vuelve a0L, lo que significa que la entrada del
microcontrolador debe estar configuradapara activarse por flanco de bajada; la
salida del sensor presenta un anchoproporcional a la distancia a la que se
halla el objeto detectado. El uso de estos
sensores permite detectar cualquier
material, que el color no sea uncondicionante lo que representa una
ventaja por sobre los sensores infrarrojosadems de presentar un rango alto de
deteccin con lo que se reduce el nmerode sensores a utilizarse. Es recomendable
conseguir los sensores acondicionados, loque permite ahorro de espacio al interior
de la carcasa. En las figuras 4 y 5 sepueden observar al sensor ultrasnico
SRF05 distintas vistas del sensorultrasnico, solo y acoplado a la carcasa
del sumobot.
Figura 4. Sensorultrasnico SRF05
Figura 5. Vista frontal del sumobot, se
puede observar la disposicin de lossensores ultrasnicos
La siguiente cuestin a tratarse es la
deteccin de la lnea blanca que delimita
-
7/27/2019 Diseno Sistema Robot CER
4/7
4
el rea del ring, para lo cual se han
escogido sensores infrarrojos QRD1114;tras la deteccin del color blanco entregan
un 0L, el cual pasa a travs de unSchmitt-trigger inversor realizado con un
integrado CD40106B, este circuitoasegura que la seal entregada no flucte
debido al paso del lmite y mantenga suvalor dentro de un rango especificado
mientras el robot ejecuta la accinindicada en la programacin; puesto que
la salida del sensor se invierte con elSchmitt-trigger, el pin de entrada del
microcontrolador debe estar configuradopara trabajar con un 1L.
Lgica de funcionamiento
El sumobot acta de la siguiente manera:una vez activado el interruptor, espera el
tiempo de seguridad definido, tras lo cualactiva los motores, permaneciendo
siempre en movimiento a la vez empiezaa barrer los pines conectados a los
sensores infrarrojos, que se hallandispuestos como lo muestra la figura 6 al
interior de la carcasa del robot, donde lossensores infrarrojos van del S1 al S6 y los
sensores ultrasnicos son U1 y U2. Elmomento en que uno de los pines
conectados a los sensores infrarrojosentrega un valor de 1L, el robot debe
accionar los motores de tal manera que sealeje de la lnea blanca del borde del ring
realizando los movimientos de acuerdo ala siguiente lista en funcin del sensor
que se active, con respecto a la figura 2:
y S1: hacia atrs y luego hacia laderecha.
y S2: hacia atrs y luego hacia laizquierda.
y S3: hacia adelante y hacia y luegohacia la izquierda.
y S4: hacia delante y luego hacia laderecha.
y S5: Hacia atrs.
y S6: Hacia delante.
Se debe recordar que todas las accionesde movimiento del sumobot son
realizadas mediante el control en el
programa del ancho de pulso de la sealPWM enviada a cada uno de losrespectivos motores. Por ejemplo para
realizar el movimiento hacia atrs oadelante (definido por el valor dirigido al
puente H) y luego enviar una seal PWMcon el mismo valor de ancho de pulso a
ambos motores. El giro hacia la izquierdao la derecha se lo realiza en cambio
colocando en uno de los motores unPWM de un ancho de pulso menor (o
mayor) al del otro.
Figura 6. Esquema de disposicin de lossensores en el sumobot
Los sensores ultrasnicos envan sealesque actan dentro de funciones que se
referencian como interrupciones dentrodel programa. Los dos sensores se hallan
-
7/27/2019 Diseno Sistema Robot CER
5/7
5
dispuestos en la parte frontal de la carcasa
del sumobot, como se indica en la figura2, con U1 y U2. El sumobot utiliza las
seales de los dos sensores para ubicar demanera muy exacta la posicin del robot
rival, para atacar al robot rival el sumobotprimero toma la posicin de ste
mediante los dos sensores ultrasnicos,moviendo los motores hasta que el robot
se halle frente al contrario, momento enque acelera, aumentando el ancho de
pulso del PWM hasta su valor mximo de255; si el robot rival vara su posicin, el
sumobot la vara de igual maneramientras acelera. Si solo uno de los
sensores ultrasnicos detecta al rival, serealizan los giros necesarios del robot
hacia la posicin indicada por el sensorhasta obtener tambin seal del segundo
sensor ultrasnico, tras lo cual acta de lamanera antes explicada. El control es
realizado por un microcontroladorATMEGA16 de la familia ATMEL, que
es ptimo para los requerimientos delsistema del sumobot. El diagrama de flujo
del programa utilizado en el sumobot sepresenta a continuacin.
La siguiente subrutina representa lainicializacin de variables.
El microprocesador lee los pines
asignados a los sensores infrarrojos demanera continua en forma de barrido, lo
que constituye el cuerpo del programa,como se observa en la secuencia
siguiente:
-
7/27/2019 Diseno Sistema Robot CER
6/7
6
La lectura de las seales entregadas porlos sensores ultrasnicos se halla dentro
de una funcin en el programa, de maneraque dicha seal genera una accin similar
a una interrupcin para entregar larespuesta del microprocesador ente la
misma.
Conclusiones
y Los sistemas microprocesados
representan una til herramienta para
probar el ingenio del programador enel control electromecnico medianteaplicaciones de robtica como en el
caso de la lucha de robots sumo.
y La implementacin de un sistema de
control con microprocesadores debepresentar una similitud de exigencia
similar entre el programa de control yel sistema mecnico, de manera quela aplicacin constituya un sistema
completo y eficiente.
-
7/27/2019 Diseno Sistema Robot CER
7/7
7
y El sistema motor que mejor se adaptaa las exigencias de un sumobot es el
de motores DC, pues en sta
aplicacin se busca que el robot actecon rapidez y potencia en la
bsqueda y ataque a su rival como en
la evasin cuando est siendo sacadode la tarima.
y El uso de sensores de presencia para
la deteccin del rival permite al robotabarcar amplias distancias adems derealizar la deteccin de cualquier
objeto sin importar elementos que
podran intentar confundirle como elcolor del otro sumobot.
y En esta aplicacin, mientras mayor es
el nmero de sensores que se utilizanmayor es la capacidad del sumobot
de responder de mejor manera ante
un ataque as como de atacar con
mayor eficiencia.
Referencias Bibliogrficas
[1] BARRIENTOS, Antonio, Fundamentos
de Robtica, Universidad Politcnica deMadrid, McGraw-Hill, Mxico D.F.,1997.
[2] BORENSTEIN, Johan, Where Am I?Sensors and Methods for Mobile Robot
Positioning, The University OfMichigan, 1996.