CONTROL DE INMERSIÓN PARA PLATAFORMA ROBÓTICA SUBMARINA

Mónica Cuéllar Benavides

Zamira Angélica Daw Pérez

Lucy Prieto Rosario

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

BOGOTA D.C.

2004

i

CONTROL DE INMERSIÓN PARA PLATAFORMA ROBÓTICA SUBMARINA

T.G. 0416

Mónica Cuéllar Benavides

Zamira Angélica Daw Pérez

Lucy Prieto Rosario

Trabajo de Grado presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico

Ing. Carlos Alberto Parra Rodríguez. Ph.D.

Director

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

BOGOTA D.C.

2004

ii

ARTICULO 23 DE LA RESOLUCIÓN No. 13 DE JUNIO DE 1946

“La universidad no se hace responsable de los conceptos emitidos por sus

alumnos en sus proyectos de grado.

Solo velará porque no se publique nada contrario al dogma y a la moral católica y

porque los trabajos no contengan ataques o polémicas puramente personales.

Antes bien, que se vea en ellos el anhelo de buscar la verdad y la justicia.”

iii

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERIA

CARRERA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA

RECTOR MAGNÍFICO: R.P. GERARDO REMOLINA S.J.

DECANO ACADEMICO: Ing. ROBERTO ENRIQUE MONTOYA VILLA

DECANO DEL MEDIO UNIVERSITARIO: R.P. ANTONIO J. SARMIENTO S.J.

DIRECTOR DE CARRERA: Ing. JUAN CARLOS GIRALDO

DIRECTOR DEL PROYECTO: Ing. CARLOS ALBERTO PARRA RODRIGUEZ

iv

AGRADECIMIENTOS

A Carlos por ser el que nos da la luz en los momentos de oscuridad, nos da

tranquilidad en los momentos de turbulencia y por creer en nuetras capacidades y

dedicación.

A Camilo Otalora por sus conocimientos, por tener la solución en el momento

indicado, y por retarnos a probar cosas nuevas.

A Martha Manrique por brindarnos sus conocimientos, por su apoyo, por su

dedicación, disponibilidad y por su buena energía la cual siempre estuvo con

nosotras.

A Alejandra González, por creer en nostras, apoyarnos y comprendernos.

A Camilo Jiménez por brindarnos sus conocimientos, su apoyo

A Alvaro por brindarnos su apoyo, su habilidad manual y sus conocimientos

A Fabián Guiza y Alejandro Frasica por ser nuestra fuente de inspiración

A Claudia por darnos el apoyo que necesitamos en el momento indicado

A Glorita por estar pendiente de nosotras y apoyo

Al laboratorio de Electrónica por estar dispuestos a colaborarnos siempre

A los laboratorios de Procesos Industriales y de Hidráulica por su colaboración y

disposición

v

A Carlos Prieto por brindarnos su apoyo, sus conocimientos y sus ganas de

trabajar

A Maria Angélica y Felipe por hacer posible la adquisición de NEMO

A Lauris y a Lilian por darnos fuerza, animo y apoyo en las noches de trabajo

A Disney por permitirnos trabajar sobre su juguete NEMO

vi

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN................................................................................................. 1 2. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 3

2.1 FUERZAS QUE ACTÚAN EN EL MOVIMIENTO DE UN PEZ.................. 3 2.2 PROPULSIÓN............................................................................................ 6 2.3 FLOTABILIDAD Y ESTABILIDAD .............................................................. 9 2.4 OTRAS PLATAFORMAS ROBÓTICAS SUBACUÁTICAS ...................... 11 2.5 PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS EN EL AGUA..................................... 16 2.6 COMUNICACIÓN DE LAS BALLENAS.................................................... 17 2.6 HIDRÓFONOS......................................................................................... 18 2.7 SERVOMOTORES................................................................................... 19 2.8 MOTORES DC......................................................................................... 21 2.9 ACELERÓMETRO ................................................................................... 23 2.10 SENSOR DE PRESION......................................................................... 24 2.11 IMPERMEABILIZACION ........................................................................ 24 2.12 MATERIALES ........................................................................................ 25

3. ESPECIFICACIONES.................................................................................... 28 3.1 ESTRUCTURA FÍSICA ....................................................................... 28 3.2 SISTEMA ELECTRÓNICO....................................................................... 30

4. DESARROLLO .............................................................................................. 36 4.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO...................................................... 36 4.2 SIMULACIÓN DE LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE LA PLATAFORMA DEBAJO DEL AGUA............................................................. 49 4.3 PLATAFORMA ROBOTICA ..................................................................... 56

5. ANALISIS DE RESULTADOS ....................................................................... 78 5.1 Relación del empuje y velocidad de la plataforma con diferentes tipos de colas............................................................................................................... 78 5.2 Relación entre el voltaje de entrada, la frecuencia angular de la cola y su empuje. .......................................................................................................... 96 5.3 Comunicación .......................................................................................... 97

6. CONCLUSIONES ........................................................................................ 106 BIBLIOGRAFÍA................................................................................................ 108 ANEXOS.......................................................................................................... 111

Preparación del yeso.................................................................................... 111 Proceso para realizar la estructura en resina poliéster y fibra de vidrio. ...... 111 Pruebas para la impermeabilización. ........................................................... 112 Fabricación de las colas en los diferentes materiales .................................. 112 Fabricación de la aleta pectoral izquierda .................................................... 120 Fabricación empaque en látex ..................................................................... 121

vii

TABLA DE FIGURAS Figura 1. Fuerzas que actúan en un pez en movimiento......................................... 4 Figura 2. Clasificación de los peces. ....................................................................... 6 Figura 3. Descripción del movimiento de la cola articulada..................................... 8 Figura 4. Movimientos Inestables de los peces..................................................... 11 Figura 5. Robotuna................................................................................................ 12 Figura 6. Robopike. ............................................................................................... 13 Figura 7. Estructura Fisica Fish RobotPF-200....................................................... 14 Figura 8. Proyecto Raya........................................................................................ 15 Figura 9. Plataforma Robot Subacuatica Propulsada por Aletas........................... 16 Figura 10. Servomotor........................................................................................... 20 Figura 11. Movimiento del servomotor según el ángulo. ....................................... 21 Figura 12. Motor DC.............................................................................................. 21 Figura 13. Rotor del motor DC. ............................................................................. 22 Figura 14. Estator de un motor DC........................................................................ 23 Figura 15. Vista lateral de la plataforma................................................................ 28 Figura 16. Estructura externa. ............................................................................... 29 Figura 17. Compartimiento para la batería. ........................................................... 29 Figura 18. Estructura interna de la plataforma. ..................................................... 30 Figura 19. Batería.................................................................................................. 33 Figura 20. Sensor de presión. ............................................................................... 34 Figura 21. Motor DC.............................................................................................. 35 Figura 22. Servomotor........................................................................................... 35 Figura 23. Descripción plataforma original. ........................................................... 36 Figura 24. Plataforma base. .................................................................................. 37 Figura 25. Modelo en yeso de la estructura interna de la plataforma.................... 38 Figura 26. Envase de Taperware. ......................................................................... 39 Figura 27. Canaleta de la estructura interna. ........................................................ 40 Figura 28. Espada de la estructura interna. .......................................................... 40 Figura 29. Cola del juguete de Disney – Pixar “Finding Nemo”............................. 41 Figura 30. Forma 1................................................................................................ 41 Figura 31. Forma 2................................................................................................ 41 Figura 32. Forma 3................................................................................................ 42 Figura 33. Forma 4................................................................................................ 42 Figura 34. Plataforma de pruebas. ........................................................................ 43 Figura 35. Parlante piezoeléctrico. ........................................................................ 44 Figura 36. Amplificador de instrumentación de los............................................... 44 Figura 37. Circuito de polarización fototransistores y comparador....................... 45 Figura 38. Interfaz grafica de plataforma de pruebas............................................ 46 Figura 39. Cola forma 4........................................................................................ 47 Figura 40. Vista lateral del juguete de Disney. ...................................................... 47 Figura 41. Aleta pectoral izquierda de la plataforma. ............................................ 48

viii

Figura 42. Batería.................................................................................................. 49 Figura 43. Empaque en látex de la batería, el sensor de presión y....................... 49 Figura 44. Fuerzas ejercidas en la plataforma. ..................................................... 50 Figura 45. Pesos en la tapa................................................................................... 54 Figura 46. Estabilidad lateral de la plataforma. ..................................................... 54 Figura 47. Descripción del movimiento de la plataforma robótica. ....................... 57 Figura 48. Interfaz con el usuario. ......................................................................... 58 Figura 49. Parlante de membrana con impermeabilización ................................. 59 Figura 50. Trama de transmisión........................................................................... 62 Figura 51. Filtro pasabanda................................................................................... 63 Figura 52. Amplificador de potencia. ..................................................................... 63 Figura 53. Etapas de polarización y preamplificación. .......................................... 65 Figura 54. Etapa de filtrado. .................................................................................. 65 Figura 55. Etapa de amplificación. ........................................................................ 66 Figura 56. Método para hallar la frecuencia. ......................................................... 69 Figura 57. Peso movible sujetado al servomotor................................................... 72 Figura 58. Amplificador de instrumentación del sensor de presión. ...................... 73 Figura 59. Circuito para el motor DC..................................................................... 74 Figura 60. Movimiento de inmersión. .................................................................... 76 Figura 61. Movimiento de emersión. ..................................................................... 76 Figura 62. Entorno de pruebas.............................................................................. 78 Figura 63. Forma 1 caucho silicona. ..................................................................... 79 Figura 64. Forma 2 caucho silicona ...................................................................... 81 Figura 65. Forma 3 caucho silicona. ..................................................................... 82 Figura 66. Forma 1 caucho silicona con acetato. .................................................. 83 Figura 67. Forma 2 caucho silicona con acetato. .................................................. 84 Figura 68. Forma 3 caucho silicona con acetato ................................................... 86 Figura 69. Forma 1 caucho silicona con zinc ........................................................ 87 Figura 70. Forma 2 caucho silicona con zinc ........................................................ 88 Figura 71. Forma 3 caucho silicona con zinc ........................................................ 90 Figura 72. Forma 4 caucho silicona con zinc. ....................................................... 91 Figura 73. Forma 1 PVC ....................................................................................... 93 Figura 74. Forma 2 PVC ....................................................................................... 94 Figura 75. Forma 3 PVC ....................................................................................... 95

ix

TABLA DE DIAGRAMAS Diagrama 1. Diagrama de todo el sistema. ........................................................... 31 Diagrama 2. Módulo de plataforma de pruebas. ................................................... 43 Diagrama 3. Diagrama en bloques del sistema de comunicación y plataforma robótica. ................................................................................................................ 56 Diagrama 4. Diagrama en bloques del módulo de transmisión. ............................ 61 Diagrama 5. Diagrama en bloques de la plataforma robótica. .............................. 64 Diagrama 6. Diagrama de flujo del algoritmo de la comunicación......................... 67 Diagrama 7. Diagrama de flujo de la función frecuencia. ...................................... 68 Diagrama 8. Diagrama de flujo de la función decode............................................ 69 Diagrama 9. Diagrama de flujo del algoritmo de control........................................ 75 TABLAS Tabla 1. Velocidad del sonido en diferentes líquidos. ........................................... 18 Tabla 2. Asignación de frecuencias a cada bit. ..................................................... 62 Tabla 3. Rango de frecuencias para ser aceptada como válida o no.................... 70 Tabla 4. Promedio de la señal medida a distancia distintas y tipo de pruebas. .... 98 Tabla 5. COMPORTAMIENTO PROMEDIO DE Vo/Vin A DISTANCIAS ............ 100

x

INTRODUCCIÓN

Hace ya algunos años se ha vuelto la mirada a la naturaleza para que nos de sus

secretos a la hora de hacer plataformas robóticas. Esta nueva tendencia se debe a

la eficiencia que la naturaleza muestra en cada animal y planta que la conforman,

al hacer una acción determinada.

Por otro lado el mar es un medio sin explorar, lo cual genera curiosidad que más

adelante se convierte en investigación. Para explorar este medio se han utilizado

diferentes métodos, uno de estos son las plataformas acuáticas bioinspiradas, que

presentan gran eficiencia.

En este proyecto se propone una plataforma bioinspirada que este en capacidad

de sumergirse a una profundidad específica, por medio del cambio del centro de

masa de la plataforma con respecto al centro de flotabilidad y de recibir órdenes a

través de una comunicación acuática con base en la comunicación que utilizan las

ballenas.

También se busca explicar la selección del propulsor, la cola; gracias a un estudio

experimental del empuje de la plataforma que tiene con las diferentes colas, para

así establecer la relación que tiene el tamaño, forma y material de la cola con

respecto al empuje que genera la misma.

Se plantea en esta plataforma un control proporcional saturado para la inmersión y

emersión de la misma y de esta manera lograr una trayectoria suave en los

movimientos de la plataforma robótica dentro del agua. Este control esta basado

en la simulación de las fuerzas que interactúan en la plataforma tanto

estáticamente como dinámicamente.

1

Se expone también en este trabajo un estudio del comportamiento del sonido

dentro del agua, y de este modo lograr encontrar las características que hagan

más eficiente la comunicación dentro del medio. La comunicación es utilizada

para darle órdenes a la plataforma robótica en cuanto al movimiento se refiere.

Este trabajo pretende abrir nuevos horizontes en la investigación de proyectos

bioinspirados ya sean de plataformas robóticas submarinas o de la comunicación

dentro del agua, en la Pontificia Universidad Javeriana.

2

2. MARCO TEÓRICO

2.1 FUERZAS QUE ACTÚAN EN EL MOVIMIENTO DE UN PEZ

Un fluido, como lo es el agua, tiene unas características muy importantes que se

deben tener en cuenta cuando se quieren conocer las fuerzas que actúan sobre

un pez en movimiento. Estas características son la incompresibilidad y la

densidad. Gracias a que este fluido es incompresible cualquier movimiento que se

ejecute dentro de el, hace que el agua que se encuentra alrededor del cuerpo, en

este caso del pez, entre en movimiento también1.

Cuando un animal se encuentra en movimiento dentro del agua, se presenta una

transferencia de momento desde el pez hacia el agua que se encuentra

rodeándolo y viceversa. El principal momento que se presenta durante este

movimiento es generado por las fuerzas de: arrastre, empuje y reacción de la

aceleración. Las fuerzas de arrastre y de empuje se originan por la viscosidad del

agua y el flujo asimétrico. Este último se origina gracias a que el flujo que pasa por

un lado del pez no es el mismo que pasa por el otro y el empuje siempre va

perpendicular a la dirección del flujo. La fuerza de reacción de la aceleración es

una fuerza inercial que se genera por la resistencia del agua alrededor del cuerpo

del pez dada por los cambios de velocidad.

Las fuerzas que actúan en el pez son: peso, flotabilidad y empuje hidrodinámico

en dirección vertical y en sentido horizontal, la fuerza de impulso y la resistencia

(Figura 1). Cuando la flotabilidad es negativa, el empuje hidrodinámico se genera

para balancear las fuerzas verticales haciendo que el pez no se hunda. Muchos

3

peces logran esto manteniendo las aletas en continuo movimiento.

Figura 1. Fuerzas que actúan en un pez en movimiento2.

Para que un pez genere su propia propulsión, a una velocidad constante, se

requiere que las fuerzas y momentos que actúan sobre él estén balanceados. Por

esta razón la fuerza de empuje que se tiene en contra del agua debe ser mayor a

la resistencia que pone el mismo fluido para que el pez se mueva hacia adelante.

La distribución de la presión del fluido en torno al pez depende de dos fuerzas

que actúan en conjunto: la inercia y la viscosidad; su relación, conocida como

número de Reynolds, describe el comportamiento del fluido.

El número de Reynolds se define como:

vUL *Re =

Ecuación 1

Donde L es la longitud del propulsor, U es la velocidad de nado y v es la

viscosidad del agua. Cuando los números de Reynolds son altos, la fuerza viscosa

desaparece y solo actúan las fuerzas inerciales. Ocurre lo contrario cuando los

números de Reynolds son bajos, las fuerzas inerciales desaparecen y solo actúan

las viscosas. Se ha demostrado que los peces cuando nadan experimentan un

1 SFAKIOTAKIS, Michel; LANE, Jane; DAVIES, Bruce; “Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion”; IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 24, No. 2, Abril 1999. 2 SFAKIOTAKIS, Michel; LANE, Jane; DAVIES, Bruce; “Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion”; IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 24, No. 2, Abril 1999.

4

número de Reynolds alto lo que indica que el avance que experimentan se debe al

comportamiento del fluido en la parte donde se propulsa, en este caso la cola3.

La frecuencia reducida σ indica la importancia de los efectos de la inestabilidad en

el flujo y se define como:

ULf *2πσ =

Ecuación 2

Donde f es la frecuencia de oscilación, L es la longitud característica, y U es la

velocidad de nado. La frecuencia reducida relaciona el tiempo que toma una

partícula de agua para atravesar la longitud de un objeto con el tiempo que le toma

en terminar un ciclo del movimiento. Se utiliza para saber si la fuerza de reacción

es considerable en el movimiento, con respecto a la fuerza de arrastre y el empuje

hidrodinámico. Para σ <0.1, los movimientos considerados son razonablemente

constantes y las fuerzas de reacción tienen poco efecto. Para 0.1<σ<0.4, los tres

mecanismos de la generación de la fuerza son considerables, mientras que para

valores más grandes de σ, la fuerza de reacción es dominante. En la práctica,

para la gran mayoría de propulsores, la frecuencia reducida pocas veces es

menos de los 0,1.

Finalmente, la forma de los peces y el propulsor afectan en gran parte la magnitud

de los componentes de la fuerza. La relación se fundamenta en la estabilidad

entre el arrastre y el empuje hidrodinámico.

La eficiencia es una medida común del movimiento de los peces en el agua, esta

definida como:

)()(PUT

=η Ecuación 3

Donde U es la velocidad media del pez, (T) es el tiempo promedio producido por el

3 GUIZA, Fabián; FRASICA, Alejandro; “Proyecto Raya Plataforma Robótica Subacuatica

5

empuje y (P) es el tiempo promedio producido por la potencia requerida.

2.2 PROPULSIÓN

El Zoólogo C.M. Breder clasificó a los peces en tres categorías dependiendo de la

longitud de la cola y de las oscilaciones que estos producen. Estas categorías son:

Anguilliform, Carangiform y Ostraciform (Figura 2)4.

Figura 2. Clasificación de los peces. Anguilliform: Este pez utiliza como propulsor todo su cuerpo ya que posee un

músculo que va desde la cabeza hasta la cola. Son capaces de nadar hacia

delante y hacia atrás con solo alterar la dirección de propagación de la propulsión.

Carangiform: Este pez utiliza como propulsor la oscilación y el movimiento

pendular de la cola. Su cuerpo es rígido, por esta razón su habilidad para acelerar

y girar están estrechamente comprometidas.

Ostraciform: Este pez utiliza la cola como único propulsor, su cuerpo es

totalmente rígido.

Controlada por un Algoritmo Genético”; Pontificia Universidad Javeriana, 2002. 4 Online: http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/fish/general/principle/index_e.html

6

Propulsión en peces robots Dentro de los peces robots que se han hecho en diferentes centros de

investigación se tienen cuatro categorías que también se clasifican por la forma

como se propulsionan en el medio acuático. Estas categorías son: onda que

cambia, hoja del cuerpo, aleta oscilante y placa oscilante.

Onda que cambia: Este tipo de pez robot se mueve gracias a la oscilación de un

músculo que se encuentra en todo el cuerpo. Para lograr esta fuerza de propulsión

es necesario que la velocidad de la oscilación sea mayor que la velocidad de la

plataforma y que la amplitud que se forma en la oscilación de la cola sea más

grande que la amplitud de la cabeza.

Hoja de cuerpo: Estos peces para moverse empujan el agua usando una

oscilación de la cola y el movimiento del cuerpo. Este tipo de movimiento genera

una fuerza positiva y una negativa, dicho en otras palabras, genera una fuerza de

acción y una de reacción, la fuerza total es la fuerza de propulsión.

Aleta oscilante: Estos peces se mueven gracias a una aleta oscilante. El

movimiento producido se debe a la combinación del levantamiento y del

movimiento de pluma de este tipo de cola.

Placa oscilante: Utilizan como propulsión únicamente la cola, la cual tiene forma

de placa, y su cuerpo se mantiene rígido todo el tiempo. El movimiento de la cola

se hace de derecha a izquierda. Este tipo de propulsión produce pocas perdidas

mecánicas en la juntura de la cola y es ideal para robots pequeños. Al poner una

aleta flexible en la cola se obtiene una mejor propulsión.

Cola articulada: Este tipo de cola permite una gran movilidad, debido a su

flexibilidad. Como se muestra en la figura 3, el movimiento sigue un patrón

sinusoidal con una diagonal a izquierda o derecha. El ángulo del péndulo de la

cola con respecto al cuerpo, es 1A y al ángulo de la aleta de la cola con respecto

7

al péndulo de la cola, es 2A .

Figura 3. Descripción del movimiento de la cola articulada5.

El funcionamiento de la propulsión depende de la relación de la magnitud, de la

frecuencia y de la fase entre los ángulos 1A y 2A

durante el movimiento de la cola.

El modelo matemático para este comportamiento se describe así:

...)1()(* max1max11 KiKaAxsenAKaA −+= Ecuación 4

...)1()(* max2max22 KiKaABxsenAKaA −+−= Ecuación 5

Cuando, = 1A max1A y 2A

= max2A , la cola se encuentra a cualquiera de los extremos

que esta alcanza.

Ka es el coeficiente de amplitud y es igual al cociente entre la amplitud actual y la

amplitud máxima que puede alcanzar la oscilación de la sección de la cola, éste

puede estar entre 0 y +1. Cuando Ka = 0, la cola no se está moviendo, cuando Ka

= +1 las secciones de cola se encuentran en sus máximas amplitudes.

5 Online: http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/fish/general/principle/index_e.html

8

Ki es un coeficiente de dirección y puede estar entre -1 y +1. Cuando Ki = 0 está

sobre el eje transversal de la plataforma; esto significa que la amplitud de la

sección de cola es igual a la izquierda y a la derecha, esto quiere decir que solo

esta actuando la fuerza de propulsión y no la de giro. Si Ki es positivo hace girar la

plataforma hacia la izquierda y si Ki es negativo la plataforma girará a la derecha.

B es la diferencia de fase entre el servomotor del péndulo de la cola y el

servomotor de la aleta de la cola. El montaje de la cola reacciona con un

movimiento periódico al sistema de propulsión.

2.3 FLOTABILIDAD Y ESTABILIDAD

2.3.1 Flotabilidad

Principio de Arquímedes

“Cualquier cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido es empujado hacia

arriba por una fuerza que es igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo”.

La fuerza que el fluido ejerce hacia arriba sobre el objeto sumergido se conoce

como Fuerza de Flotación, donde la magnitud de esta fuerza es igual al peso del

fluido desplazado por el objeto. La Fuerza de Flotación actúa verticalmente hacia

arriba a través del centro de gravedad del fluido desplazado, esta fuerza se puede

representar matemáticamente de la siguiente forma:

dff VPF *= Ecuación 6

Donde Ff es la Fuerza de Flotación, Pf es el peso específico del fluido y Vd es el

volumen desplazado del fluido.

9

Aunque el Principio de Arquímedes es válido para la mayoría de los casos, se

tienen algunas variaciones de acuerdo a la profundidad que alcance el cuerpo en

el fluido:

1 Cuerpo Sumergido que alcanza el fondo.

El cuerpo se desplazará hasta el fondo de un recipiente sí y solo sí la densidad del

material del cuerpo sumergido es mayor a la densidad del fluido, esto quiere decir

que si el peso del cuerpo es mayor que el empuje, la resultante de las fuerzas

estará dirigida hacia abajo y el cuerpo se hundirá.

2 Cuerpo Sumergido que no alcanza el fondo

Si el peso del cuerpo es igual al empuje, la resultante será nula y el cuerpo se

mantendrá en equilibrio dentro del fluido.

3 Cuerpo que flota

El cuerpo se mantendrá en la superficie del fluido sí y solo sí la densidad del fluido

es mayor que la densidad del material del cuerpo sumergido.

2.3.2 Estabilidad en los cuerpos

Un cuerpo en un fluido se considera que es estable si regresa a su posición inicial

después de haber girado un poco alrededor del eje horizontal. La estabilidad tiene

diferentes condiciones dependiendo de que tanto este o no sumergido el cuerpo.

Para que un cuerpo se mantenga estable y esté sumergido en un fluido sin

alcanzar el fondo se necesita que el peso del cuerpo sea igual al empuje, la

resultante será nula y el cuerpo se mantendrá en equilibrio dentro del fluido.

Los peces experimentan tres clases de movimientos considerados inestables.

10

Estos son: el giro que es la rotación sobre el eje longitudinal del pez, el cabeceo

que es la rotación vertical y el ladeo que es la rotación horizontal del pez (Figura

4)6.

Figura 4. Movimientos Inestables de los peces.

La estabilidad del eje longitudinal del pez se logra haciendo que coincidan en una

misma línea vertical el centro de gravedad de la plataforma y el centro de

flotabilidad ya que estas dos fuerzas son opuestas y equilibradas. Para esto los

elementos mas pesados deben ir en la parte inferior del pez y los que tengan

mayor flotabilidad en la parte de arriba.

La estabilización en el momento de la inmersión se puede lograr de dos maneras:

la primera es cambiando el centro de masa desplazando elementos que tengan

pesos considerables en relación con la plataforma hacia el sitio deseado (hacia

delante para la inmersión o hacia atrás para la emersión). La segunda es

colocando elementos, con flotabilidad positiva, que cambien de lugar el centro de

flotabilidad.

2.4 OTRAS PLATAFORMAS ROBÓTICAS SUBACUÁTICAS En los últimos años las investigaciones acerca de vehículos submarinos han ido

creciendo debido al interés que se tiene por explorar el océano, por lo que se han

6 SFAKIOTAKIS, Michel; LANE, Jane; DAVIES, Bruce; “Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion”; IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 24, No. 2, Abril 1999.

11

detenido a estudiar a los animales marinos dada su facilidad y eficiencia para

nadar en el agua. Por esto, se han emulado las características de animales

acuáticos que más adelante ayudarán a lograr plataformas más eficientes, rápidas

y capaces de adaptarse al medio.

2.4.1 Robotuna

El primer proyecto que se hizo sobre este tema fue el de Robotuna desarrollado

en el Instituto Tecnológico de Massachussets, M.I.T. El objetivo de este proyecto

era estudiar los mecanismos hidrodinámicos de un pez llevando a la práctica el

trabajo propuesto por Barret quien diseñó un prototipo de vehículo subacuatico. La

estructura física de este robot se asemejaba mucho a un atún ya que tiene un

cuerpo flexible y una aleta rígida (Figura 5). El cuerpo está conformado por 8

vértebras rígidas conectadas con poleas y cables y 6 servomotores los cuales se

encuentran en la parte exterior de la plataforma completamente

impermeabilizados. La parte exterior del Robot se encuentra recubierta por un

saco de lycra la cual hace las veces de piel para el pez.

Figura 5. Robotuna.

Este proyecto desarrolló una forma de propulsión para los vehículos subacuáticos

autónomos que alcanzó una eficiencia del 80% utilizando un Algoritmo Genético y

revolucionando así el método de propulsión para otro tipo de plataformas que tan

solo alcanzaban una eficiencia del 40%.

2.4.2 Robopike

Luego del Proyecto Robotuna se empezó a desarrollar el Proyecto Robopike en el

12

M.I.T. donde se inspiraron en la estructura física de Robotuna pero este fue

orientado a la exploración de giros y aceleración de las plataformas acuáticas

(Figura 6). Por esta razón se debieron tener muchas consideraciones físicas para

realizarlo, como son la suficiente flexibilidad para nadar y dar giros, el material en

el cual se iba a construir debía ser lo suficientemente liviano para que estuviera

muy cerca del nivel de flotación de este. Finalmente la estructura solo poseía tres

segmentos siendo este lo más parecido a un pez de verdad.

Figura 6. Robopike.

Esta plataforma utilizó una comunicación por radio frecuencia donde el usuario por

medio de un control le envía los datos al computador y este los interpreta, para

luego ser enviados a la plataforma y así lograr el movimiento deseado por el

usuario.

Para conseguir una estabilidad en el pez, se llenó la plataforma física de aire y se

colocaron componentes pesados en el fondo para que de esta manera se tuviera

una fuerza de flotabilidad igual al peso del robot. Esto hace que la plataforma no

realice movimientos indeseados, pudiendo nadar y dar giros de manera estable.

2.4.3 Fish Robot PF-200

Otro prototipo de vehículos subacuáticos fue desarrollado en el “Ship Research

Institute” en Tokio, Japón. El objetivo de esta plataforma era estudiar los

movimientos de inmersión y emersión cambiando el centro de masa. El ángulo de

13

inclinación del robot es afectado por el movimiento de un peso interno que hace

que cambien la fuerza de gravedad con respecto a la fuerza de flotabilidad,

manteniendo estas dos fuerzas en una misma línea vertical para que de esta

forma el robot sea capaz de emerger y sumergirse en el agua de una forma

estable.

La estructura de esta plataforma fue construida de tal forma que el cuerpo fuera

rígido y la aleta de la cola fuera un poco flexible para garantizar una buena

propulsión. Esta propuesta consta de un péndulo rígido (Figura 7) de peso

considerable, que cambia al sitio deseado dependiendo del movimiento que se

quiere realizar, inmersión o emersión. El movimiento del péndulo se debe a un

servomotor, el cual esta controlado por un microcontrolador, quien decide cuantos

grados debe moverse el péndulo para así obtener el movimiento deseado de la

plataforma.

Figura 7. Estructura Fisica Fish RobotPF-2007.

7 Online: http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/fish/general/principle/index_e.html

14

2.4.4 Plataformas realizadas en la Pontificia Universidad Javeriana

El Proyecto Raya, Plataforma Robótica Subacuatica Controlada por un Algoritmo

Genético, fue desarrollado en la Pontificia Universidad Javeriana en el 2002. Esta

plataforma en forma de raya, cuerpo rígido y aleta flexible oscilante permite

avanzar y dar giros. Este proyecto se enfocó en el movimiento de la cola por

medio de un motor, el cual ayudó a reducir el número de actuadores uniendo la

propulsión con el giro. La parte electrónica se encargó de controlar el movimiento

de la aleta, sensar algunas medidas como la aceleración y el consumo de energía,

además de la comunicación entre el PC y la plataforma (Figura. 8). Para su impermeabilización se utilizó un recipiente sellado hermético de tal forma

que todos los componentes como son la parte mecánica y la parte electrónica se

encuentren totalmente impermeabilizados en el momento del contacto con el

agua.

Figura 8. Proyecto Raya.

Otro proyecto realizado en la Pontificia Universidad Javeriana fue Plataforma

15

Robot Subacuática Propulsada por Aletas Pectorales. El objetivo de este proyecto

era emular el movimiento de una raya, en especial la de la especie Eagle Ray

(Figura 9).

Figura 9. Plataforma Robot Subacuatica Propulsada por Aletas Pectorales.

La plataforma cuenta con cuatro actuadotes independientes los cuales son

accionados por un arreglo mecánico basado en engranajes. Este arreglo le

transmite las características de torque y velocidad a un servomotor, estos se

encuentran localizados a los extremos del robot. De esta manera se logra emular

el movimiento de la raya combinando los modos oscilatorios y ondulatorios.

2.5 PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS EN EL AGUA

El sonido es un fenómeno físico que se produce cuando un objeto vibra y genera

una serie de ondas de presión que de forma alternativa comprimen y

descomprimen las moléculas del aire, agua o sólido por los que pasan las ondas.

Estos ciclos de compresión y descompresión, se pueden describir en términos de

frecuencia. En 1877 y 1878, el científico británico John William Strutt, realizó

descubrimientos claves en los campos de la acústica y la óptica que son

importantes para la teoría de la propagación de las ondas en fluidos, como es el

agua.

16

Existen una serie de factores que influyen en la distancia que el sonido puede

recorrer debajo del agua y su duración. Por una parte, las partículas de agua

pueden reflejar, dispersar y absorber ciertas frecuencias de sonido al igual que

ciertas partículas de la atmósfera puede reflejar, dispersar y absorber

determinadas longitudes de onda de la luz. El agua de mar absorbe 30 veces la

cantidad de sonido absorbida por el agua destilada, con sustancias químicas

específicas (como sulfato de magnesio y ácido bórico) atenuando ciertas

frecuencias de sonido. Los sonidos de baja frecuencia, cuyas longitudes de onda

de gran amplitud pasan sobre partículas minúsculas, tienden a desplazarse más

lejos sin que se produzca ninguna pérdida por absorción o dispersión. Las

oscilaciones de las partículas de agua en estas ondas no quedan limitadas a la

superficie, sino que se extienden con amplitud decreciente hasta el fondo, la

velocidad con la que se desplazan estas ondas en el agua es de 1435 m/s.

La velocidad del sonido disminuye a medida que la temperatura del agua baja. Por

debajo de cierta distancia donde la temperatura es casi constante, la velocidad no

cambia aunque el aumento de presión provoca que la velocidad del sonido

aumente. Debido a que las ondas del sonido se curvan o refractan en dirección a

la región de velocidad mínima, los cambios de temperatura o presión provocan

que las ondas sonoras reboten de un lado para otro dentro de una región llamada

canal de sonido profundo (conocido también como el canal SOFAR). En este

canal, el sonido recorre largas distancias con una pérdida mínima de señal.

2.6 COMUNICACIÓN DE LAS BALLENAS

La comunicación que tienen las ballenas entre ellas siempre ha sido motivo de

estudios e investigaciones por su desarrollado método para hacerlo. Dentro de

estos estudios e investigaciones se han llegado a conclusiones muy interesantes

como por ejemplo que el sonido se transmite mejor en el agua que en el aire.

17

Esto se debe a que las ondas sonoras se transmiten gracias a la compresión y la

expansión del medio por donde están viajando, lo cual se cumple por las

propiedades del agua. Como la velocidad con la que viaja el sonido esta

estrechamente relacionada con las características del medio, se puede concluir

que cuando la densidad del agua aumenta la velocidad de transmisión aumenta

también. Por esta razón si se tienen cambios en la temperatura, la salinidad o la

presión del agua la velocidad no va ser la misma, como lo muestra la siguiente

tabla.

Liquido Temperatura (°C) Velocidad (m/s)

Agua 0 1402

Agua 20 1482

Agua marina

(3.5% salinidad) 20 1522

Tabla 1. Velocidad del sonido en diferentes líquidos.

Las ballenas son animales que emiten sonidos de bajas frecuencias y se

encuentran en el rango de los 30Hz hasta los 8kHz, aunque esto cambia según la

familia de estos mamíferos. Estos sonidos alcanzan grandes distancias y se puede

decir que en condiciones optimas, es decir, en un medio marítimo sin ruido, el

sonido emitido por una ballena es capaz de viajar de una punta del océano a otra.

Sus cantos se encuentran entre los 184 y 186 decibeles.

2.6 HIDRÓFONOS

Los hidrófonos son transductores que convierten la energía sonora en energía

eléctrica dentro del agua. Estos son capaces de capturar sonido a grandes

distancias y han sido de gran utilidad para hacer estudios acerca de la

comunicación que tienen lo animales en el mar.

Esta conversión de energía se logra gracias al transductor cerámico (micrófono)

18

que se encuentra dentro de los hidrófonos y es utilizado en cualquier tipo de

transmisión sonora teniendo como medio el aire. Estos hidrófonos tienen en su

interior preamplificadores de bajo ruido, los que hacen que la amplitud recibida de

la fuente se incremente, esto ayuda a minimizar el ruido.

Existen hidrófonos Omnidireccionales y Direccionales. Los primeros reciben

señales en cualquier dirección sin cambiar su sensitividad. Son utilizados en

telemetría para capturar sonidos marinos o capturar información de transmisores

estacionarios. Los segundos tienen mayor sensitividad en una sola dirección, son

utilizados para sistemas de localización y ajustes en navegación.

2.7 SERVOMOTORES

Un servomotor es un motor eléctrico de precisión en el que se pueden controlar su

velocidad y/o posición. La posición del eje varía dependiendo de la posición

angular la cual es enviada por medio de una señal de control. Mientras la señal de

control exista a la entrada de la línea, el servomotor mantiene su posición angular.

A medida que la señal de control cambia, la posición angular del eje cambia

también. Tiene aplicaciones como control de radio para aviones, carros, robots y

ascensores. El servomotor esta compuesto por un circuito de control, un conjunto

de engranajes, un motor y una caja donde se encuentran todos estos elementos.

También tiene cables que están conectados con el exterior, uno es para la fuente

de 5 voltios, el otro es para tierra y el último es para la señal de control (Figura 10).

19

Figura 10. Servomotor.

El servomotor tiene un circuito de control que esta conectado a la salida del eje

por medio de un potenciómetro. Este permite que el circuito de control este

sensando el ángulo del servo, si el eje está en un ángulo correcto el motor

permanece quieto. Si no es así entonces el motor se mueve en la posición

correcta hasta que el ángulo sea el deseado. La salida del servomotor es capaz de

moverse alrededor de 180 grados.

El cable de control es por el cual se comunica el ángulo. Este ángulo esta

determinado por la duración del pulso que es aplicado en el cable de control. Esto

se llama pulse PCM (Pulse Code Modulation), el servomotor espera un pulso cada

20ms. La longitud del pulso determinará que tanto el motor se mueve, por ejemplo,

un pulso de 1.5ms hace que el motor rote un ángulo de 90 grados. Pulsos

menores de 1.5ms el motor rota hacia cero grados y mayores a 1.5ms el motor

rota hacia 180 (Figura 11).

20

Figura 11. Movimiento del servomotor según el ángulo.

2.8 MOTORES DC Los motores DC (Direct Current), también conocidos como Motores CC (Corriente

Continua) son usados generalmente en robótica (Figura. 12). Se pueden encontrar

motores de diferente tamaño, forma o potencia pero el principio de funcionamiento

es el mismo para cualquiera de ellos.

Aplicándole un voltaje entre sus bornes se logra que este empiece a girar, cuando

se necesita un giro contrario simplemente se invierte la polaridad de la entrada.

Estos motores, a diferencia de los servomotores o motores paso a paso, no

pueden ser posicionados, es decir, no se mantienen en una posición sino están en

constante movimiento.

Figura 12. Motor DC.

21

Un motor DC esta conformado básicamente por un rotor y un estator. El rotor es

el que constituye la parte móvil del motor, este le proporciona el torque para mover

la carga. El rotor esta conformado por un eje, un núcleo, un devanado y un

colector, como se muestra en la figura 13.

El eje esta formado por una barra de acero fresada que le da la rotación al núcleo,

al devanado y al colector. El núcleo esta localizado sobre el eje, este proporciona

un trayectoria magnética entre los polos para que el flujo magnético del devanado

circule. El devanado consta de unas bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de

la armadura. Estas bobinas se encuentran conectadas eléctricamente con el

colector. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor de

modo que gira con éste y esta en contacto con las escobillas. Su función es

recoger la tensión producida por el devanado reducido transmitiéndola al circuito

por medio de las escobillas.

Figura 13. Rotor del motor DC.

El estator es la parte fija de la maquina (Figura. 14), este suministra el flujo

magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar el movimiento

giratorio. El estator esta formado por: el armazón, imán permanente y las

escobillas.

22

El armazón tiene dos funciones importantes, servir de soporte y proporcionar una

trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y al imán permanente. El imán

permanente se encuentra fijado al armazón del estator, su función es proporcionar

un campo magnético uniforme al devanado del rotor para que interactúe con el

campo formado por el bobinado y así se origine el movimiento del rotor como

resultado de la interacción de estos campos. La función de las escobillas es

transmitir la tensión y la corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y

por ende al bobinado del rotor.

Figura 14. Estator de un motor DC.

2.9 ACELERÓMETRO El acelerómetro es un dispositivo que mide la aceleración en dos ejes. Este arroja

una señal de salida DC proporcional a la aceleración que experimenta en cada

eje, a parte de tener esta salida análoga tiene una digital, la cual varía el ciclo útil

dependiendo de la entrada. Los acelerómetros son capaces de medir aceleración

tanto negativa como positiva. Puede medir aceleración estática como es la

gravedad o aceleración dinámica. Su funcionamiento consiste en un condensador

diferencial de placas cada una independiente entre sí y una placa central con una

masa capaz de moverse proporcional a la aceleración. Cuando se experimenta

una aceleración se produce una deflexión resultando así una señal cuadrada con

un ciclo útil proporcional a esta deflexión.

23

2.10 SENSOR DE PRESION Un sensor de presión utiliza galgas de torsión para medir la presión. Normalmente

miden la presión relativa a la presión atmosférica, pero en algunas ocasiones es

necesario conocer la presión relativa entre dos puntos, a estos sensores se les

conoce como sensores de presión diferencial.

Dentro del sensor existen dos diafragmas separados por una galga en el centro,

se conoce como el diafragma sensor, y su función es impedir el paso de fluido

interno de un lado hacia otro. Uno de los diafragmas se encuentra sujeto a una

presión constante o de referencia la cual puede ser la presión atmosférica.

También, en los sensores diferenciales, se pueden aplicar dos presiones y la

posición del diafragma sensor será una función de la presión diferencial.

2.11 IMPERMEABILIZACION

La impermeabilización es factor importante a tener en cuenta al momento de

construir una plataforma robótica subacuatica, ya que es aquí donde los

componentes, tanto electrónicos como mecánicos, se encuentran protegidos del

agua.

Existen varios tipos de impermeabilización los cuales dependen en su mayoría de

si se necesita tener acceso al circuito constantemente o no. Cuando no es

necesario se puede utilizar cajas selladas por silicona o resina garantizando así

que la caja quede completamente sellada. Cuando se necesita tener acceso al

circuito y a los actuadores de la plataforma se puede optar por ponerlos fuera del

agua en un sitio externo al robot o utilizar mecanismos donde se tenga fácil

acceso a ellos y al mismo tiempo no se mojen cuando se este trabajando dentro

del agua. Para esto son buenas las soluciones como las bolsas de ziploc, los

recipientes para comida o tapper ware, tubos de PVC o el sistema de empaque

que tienen los termos o frascos para cargar los líquidos. Algunas de estas

24

soluciones fueron implementadas por estudiantes de la Pontificia Universidad

Javeriana.

2.12 MATERIALES

2.12.1 Caucho Silicona

Algunas de las características del Caucho Silicona son:

• Material ideal para obtener moldes a partir de un Modelo Inicial.

• Ofrece gran versatilidad para el uso en diferentes campos.

• Permite gran fidelidad de copiado.

• Flexibilidad y Manejo.

• Facilita la fabricación de objetos en diferentes materiales como resinas,

epóxicas, poliésteres, acrílicos, yeso, cemento y algunas aleaciones

metálicas con bajo punto de fusión.

• Es una mezcla que carece de disolventes y plastificaciones con minerales

de relleno.

• Se pueden lograr diferentes composiciones que van desde ligeramente

fluidos hasta consistencias gelatinosas.

El caucho silicona se puede utilizar en las siguientes áreas:

• Artes decorativas: producción de objetos, películas, sellos, velas

decorativas.

• En la industria del Mueble: Partes de muebles, puertas, paredes que por

lo general se hacen en base de resinas poliéster con polvo de madera,

los cuales después del Barniz toman la apariencia de madera.

• En la construcción: En la restauración de molduras antiguas,

monumentos, murales en relieve.

25

2.12.2 Resinas de poliéster insaturado

Es un compuesto que resulta de la reacción de dos grupos carboxílicos con un

ácido y de dos grupos hidroxílicos con alcoholes. El poliéster utilizado en la

construcción de la plataforma tiene una parte alifática y aromática y su principal

característica es que posee dobles enlaces en su estructura, de lo cual se deriva

su nombre insaturado. Dicha característica, lo capacita para sufrir otra

polimeración con monómeros insaturados.

El proceso para obtener la resina utilizada se conoce como proceso de curado y

consiste en generar radicales libres o en otras palabras, romper los dobles

enlaces; una vez se rompe un doble enlace, se sigue una reacción de rompimiento

en cadena, hasta saturar todos los dobles enlaces.

El agente de rompimiento de los dobles enlaces, se denomina el catalizador o

iniciador (mek peróxido) y el reductor más común es el ion de cobalto (octoato de

cobalto) que se conoce comúnmente como acelerador.

La propiedad más importante de las resinas de poliéster insaturado es su habilidad

para transformarse del estado líquido al sólido. Dicho cambio se logra por la

adición de una catalizador que es activado por un acelerador o activador.

2.12.3 Fibra de vidrio

Se usa normalmente en láminas y algunas de sus características son:

• Alta resistencia a la fatiga.

• Resistencia térmica.

• Resistencia a químicos y ácidos fuertes.

• Retardante al fuego.

• Incombustible

26

2.12.4 Cloruro de polivinilo

El Cloruro de polivinilo es un plástico que comúnmente se conoce como PVC,

resiste dos elementos muy importantes: fuego y agua. Debido a su resistencia al

agua, se utiliza para hacer impermeables, cortinas para baño y caños para agua,

piezas de bombas, piezas para aislamiento eléctrico elemento para aparatos

domésticos y máquinas de oficina, entre otros. Su resistencia al fuego se debe a

que contiene cloro. Es de bajo costo y puede ser fabricado rígido o flexible.

Posee buena resistencia, dureza y tenacidad, tiene la capacidad de resistir la

corrosión, además tiene buenas propiedades dieléctricas y difícilmente es

combustible.

27

3. ESPECIFICACIONES

3.1 ESTRUCTURA FÍSICA La estructura física de la Plataforma Robótica esta dividida la parte interna y

externa.

3.1.1 Estructura Externa Es la misma estructura externa del juguete de Disney – Pixar “Finding Nemo”, con

la única diferencia que este juguete tiene la aleta pectoral izquierda más pequeña

que la derecha y la plataforma robótica tiene las dos aletas del mismo tamaño

aunque de distinto material (Ver figura 15).

Figura 15. Vista lateral de la plataforma.

La estructura externa consta de una aleta dorsal, dos aletas pectorales, una aleta

anal, dos aletas pélvicas, una cola y un compartimiento para las baterías como se

observa en la Figura 16.

28

Figura 16. Estructura externa.

La estructura externa tiene las siguientes especificaciones:

• Largo: 180 mm

• Alto: 220 mm

• Ancho: 87.6 mm

• Peso: 716.9 g

Las aletas no poseen movimiento, sin embargo ayudan a la estabilidad tanto

estática como dinámica de la plataforma. El compartimiento de las baterías se

encuentra en la parte inferior (Ver figura 17) y contiene la batería, el sensor de

presión y el micrófono.

Figura 17. Compartimiento para la batería.

29

3.1.2 Estructura Interna Esta estructura alberga el circuito electrónico y los motores (motor DC y

servomotor). Es hermética y esta sellada por medio de un juego de trece tornillos

ubicados alrededor de la misma. Entre la tapa y la estructura interior se encuentra

una lámina de caucho espuma que ayuda a rellenar los espacios entre la tapa y la

caja, para la impermeabilización de la plataforma (Ver Figura 18).

Figura 18. Estructura interna de la plataforma.

3.2 SISTEMA ELECTRÓNICO

El sistema electrónico de todo el proyecto se divide en dos partes: la primera se

encuentra dentro de la plataforma y la segunda se encuentra fuera de esta

(Diagrama 1).

30

Diagrama 1. Diagrama de todo el sistema.

La parte externa, del sistema electrónico, tiene dos funciones, la primera es la

encargada de comunicar al usuario con la plataforma robótica, está compuesta por

un computador y un modulo de transmisión. La segunda es la encargada de medir

el empuje y la velocidad de la plataforma, ésta también esta compuesta por un

computador y un modulo de plataforma de pruebas.

Modulo de transmisión • Circuito impreso

Voltaje de alimentación: 12V

Consumo en reposo: 30mA

Consumo promedio durante la transmisión: 1.3A

• Parlante de membrana

Voltaje de entrada: 7.5Vpp

Resistencia: 4Ω

Potencia máxima que soporta el parlante: 10W

Potencia de trabajo: 7W

• Microcontrolador 1

Arquitectura: CISC de 8 bits

Familia: 68HC908

Serie: QT4

Voltaje de alimentación: 1.5V-6V

31

Voltaje de trabajo: 5V

Número de pines: 8

Número de puertos: 1

Entradas: 3

Salidas: 2

Oscilador interno: 12MHz

Modulo de plataforma de pruebas • Circuito impreso

Voltaje de alimentación: 5V

Consumo: 120mA

• Microcontrolador 2

Arquitectura: CISC de 8 bits

Familia: 68HC908

Serie: JK3

Voltaje de alimentación: 1.5V-6V

Voltaje de trabajo: 5V

Número de pines: 20

Número de puertos: 2

ADC utilizados: 7

Entradas: 4

Salidas: 1

Oscilador externo: 16MHz

La parte interna del sistema electrónico tiene como función realizar y controlar la

trayectoria de la plataforma escogida por el usuario.

• Batería (Figura 19)

Largo: 50.6 mm

32

Diámetro: 14.30 mm

Peso: 29.75gr x 4

Voltaje: 1.4V-1.2V x 4

Corriente

Resistencia interna

2.2 Ah

0.4Ω

Figura 19. Batería.

• Microcontrolador 3

Arquitectura: CISC de 8 bits

Familia: 68HC908

Serie: QY4

Voltaje de alimentación: 1.5V-6V

Voltaje de trabajo: 4.8V-5.7V

Número de pines: 16

Número de puertos: 2

ADC utilizados: 2

Entradas: 2

Salidas: 1

Oscilador interno: 12.8MHz

• Circuito Electrónico

Voltaje de alimentación: 5.7V-4.8V

Consumo: 40mA

33

• Sensor de presión (Figura 20)

Voltaje de Polarización: 5.7V – 4.8V

Consumo: 6mA

Figura 20. Sensor de presión.

• Acelerómetro

Voltaje de Polarización: 5V

Señal de salida:

Frecuencia:

0-5V

150Hz

Consumo: 1mA

• Motor DC (Figura 21)

Voltaje de Polarización: 1.5V máximo

Señal de entrada: 0-.1.5V

Consumo: 600mA

Largo: 19.6 mm

Alto: 37.9 mm

Ancho: 14.6 mm

Peso: 16.4 g

34

Figura 21. Motor DC.

• Servomotor (Figura 22)

Voltaje de Polarización: 3.5 V – 12

Señal de entrada: 0-5 V @ 500Hz

Consumo: 400mA

Largo: 40.25 mm

Alto: 35.75 mm

Ancho: 19.6 mm

Peso: 38 g

Figura 22. Servomotor.

35

4. DESARROLLO

4.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO

La estructura interior de la plataforma se basó en la estructura interior del juguete

de Disney – Pixar “Finding Nemo”, la cual tenía en su interior una caja hermética

impermeabilizada de dimensiones: 106 mm de largo x 51.8 mm de ancho x 30 mm

de profundidad. Esta contenía un Motor DC con su respectiva alimentación de 1.5

V (batería) y un sistema mecánico conectado al motor (Figura 23), los cuales se

encargaban de mover la cola del juguete, para que éste se pudiera desplazar

autónomamente dentro del agua.

1. Motor DC

2. Sistema mecánico

3. Batería

Figura 23. Descripción plataforma original.

Además tenía una cavidad cilíndrica sellada de radio 10.32 mm (Figura 24), la cual

tenía la función de flotador, logrando así que la plataforma no se sumergiera

completamente, sino que mantuviera su aleta dorsal fuera del agua (Figura 24).

Además el juguete de Disney – Pixar “Finding Nemo” permitía el ingreso del agua

36

a la estructura exterior cuando se encontraba sumergido, de tal forma que cuando

nadaba se mantuviera estable.

1. Cavidad sellada

2. Aleta dorsal

3. Aleta anal

4. Cola

5. Aleta pectoral derecha

Figura 24. Plataforma base.

La estructura interna del juguete se rediseñó teniendo en cuenta las

especificaciones del proyecto, como son el movimiento de la masa, el circuito

principal y el manejador del motor DC y los sensores. Sin embargo se mantuvo el

concepto de que se le entrara el agua en la estructura externa, para que ayudara a

la estabilidad de la plataforma en movimiento.

Para que la nueva estructura interna cumpliera con los requerimientos se expandió

aprovechando el espacio libre en la estructura externa. Para hacer la expansión de

la estructura interna inicial se realizaron los siguientes pasos:

4.1.1 Modelo de la nueva plataforma Se realizó un modelo en arcilla, el cual abarcaba el espacio libre que tenía la

estructura externa de la plataforma. Luego de tener el modelo del espacio libre se

unió a la estructura interna para realizar de este modo el modelo en yeso (Yeso

37

No.2). Este modelo se fragmentó en tres partes, una de la parte inferior y dos de

la tapa, el proceso se describe en los anexos y el resultado se muestra en la figura

25.

Figura 25. Modelo en yeso de la estructura interna de la plataforma.

Ya teniendo el molde en yeso de la nueva estructura interna, se prosiguió a

realizar la estructura en resina poliéster y fibra de vidrio, proceso que se describe

en los anexos

Luego de tener la primera aproximación de la estructura interna, se procedió a

pulirla de tal forma que encajará lo mejor posible en la estructura externa y no

obstruyera el movimiento del motor. Luego de que todo encajara se escogió los

tornillos como método de cierre de la caja. La estructura interna cuenta con un

juego de 13 tornillos, que permiten tener acceso a la parte interna todas la veces

que sean necesarias, cada tornillo debe encajar en su respectiva tuerca, la cual se

encuentra adherida a la caja con resina.

En el momento que el método de cierre estuvo implementado, se comenzó a

verificar la ubicación de los componentes internos de la estructura (Motores y

circuitos), es decir verificar si los componentes no impedían que la estructura

cerrará bien, lo que se logró por medio de la ubicación del contacto entre los

componentes y la tapa. Los puntos de contacto se encontraron untando los

componentes con lápiz labial, cerrando la caja y observando en la tapa donde

habían marcas de lápiz labial. En los lugares donde aparecían dichas marcas se

pulían para evitar que la estructura no cerrara correctamente. Este proceso se

38

repitió hasta que la estructura cerró bien.

4.1.2 Impermeabilización Debido a que los tornillos no impedían completamente el paso del agua al interior

de la estructura interna de la plataforma, se decidió poner un empaque que

cubriera los pequeños huecos e imperfecciones entre la tapa y la caja. Para esto

se hicieron pruebas con varios tipos de materiales de tal forma que se encontrará

el más efectivo. Los materiales puestos a prueba fueron:

• Látex

• Caucho para Neumático

• Caucho Espuma (Fomi)

Debido a los resultados de las pruebas (anexos) se decidió usar caucho espuma

(Fomi). Sin embargo el empaque no cumplía con el objetivo general, impedir el

paso de agua, por lo que se buscó otro método que apoyara al empaque.

Para encontrar este nuevo método se estudio la caja interna de la estructura inicial

y los envases herméticos que hay en el mercado (Taperware, Ziplog), en los

cuales se encontró una constate, todos tenían el mismo método: insertaban una

espada del material en una canaleta lo que impedía el paso de cualquier líquido

del medio externo al interno como se muestra en la figura 26.

Figura 26. Envase de Taperware.

39

Se adaptó este método en la estructura interna como se muestra en la Figura 27 y

Figura 28, la espada se logró subiendo con resina poliéster las paredes de caja y

luego puliéndolas para lograr la forma de espada, por otro lado para construir la

canaleta se untó la espada con lápiz labial y se cerró la estructura para que de

esta forma marcara en la tapa los lugares donde debía ir la canaleta. La

impermeabilización estuvo terminada cuando el lápiz labial solo marcaba dentro

de la canaleta, lo que indicaba que coincidía correctamente tanto la tapa como la

caja.

Figura 27. Canaleta de la estructura

interna.

Figura 28. Espada de la estructura interna.

El resultado de este método más el empaque de caucho espuma fue óptimo, ya

que el agua no ingresó a la estructura permitiendo así el correcto y seguro

funcionamiento de la plataforma.

4.1.3 Fabricación de las Colas El desplazamiento de la plataforma se lleva a cabo mediante la cola, es por esto

que se quiso evaluar la relación del empuje y la velocidad con la forma y material

de la cola, y así escoger la que presentara mayor eficiencia. Las formas escogidas

40

se basaron en las colas de algunos peces. La cola original del jugete Disney –

Pixar “Finding Nemo” se muestra en la figura 29.

Figura 29. Cola del juguete de Disney – Pixar “Finding Nemo”.

Se construyeron las siguientes formas de cola, manteniendo las mismas

dimensiones que la del juguete en la parte inicial para que se pudieran encajar

bien.

La forma 1 tiene las mismas dimensiones y forma a la cola del juguete. La forma 2

tiene las mismas dimensiones de la cola original, lo único que cambia es que tiene

un corte circular al final. La forma 3 es una cola alargada y la forma 4 es igual a la

forma 1, solo que sus dimensiones son 25% mayor a la original.

Figura 30. Forma 1. Figura 31. Forma 2.

41

Figura 32. Forma 3. Figura 33. Forma 4.

Para la fabricación de las colas se utilizaron los siguientes materiales:

• Caucho Silicona.

• Cloruro de Polivinilo (PVC).

• Acetato.

• Zinc.

Estos materiales fueron mezclados entre sí utilizando todas las formas de colas

que se describieron anteriormente, como resultado se obtuvieron cuatro tipos de

combinaciones como son, caucho silicona, caucho silicona con lámina de acetato,

caucho silicona con lámina de zinc y PVC. La fabricación de las colas con estas

combinaciones se encuentran explicado en los anexos.

Luego de obtener todas las colas se realizó el proceso de evaluación para así

obtener el empuje y la velocidad promedio de cada una. Esta evaluación se realizó

por medio de una plataforma de pruebas (figura 34). Esta tiene como objetivo

principal sensar el empuje que realiza la plataforma en los diferentes puntos de la

piscina al igual que sensar la velocidad promedio durante su trayectoria (Diagrama

2). Estos resultados son transmitidos al computador para luego ser analizados.

42

Figura 34. Plataforma de pruebas.

Fototransistores

Parlantes PiezoEléctricos

EncoderComparador

Amplificación TransmisiónRS232

DecoderAlgoritmo para

calcular velocidadpromedio

Microcontrolador 2

Decodificación Interfaz con el usuarioADC

Módulo Plataforma de Pruebas Computador

Diagrama 2. Módulo de plataforma de pruebas.

Se sensó el empuje para medir la eficiencia de la plataforma, es decir, que tanta

agua es capaz de desplazar ésta para avanzar y así encontrar la relación de la

eficiencia con el cambio de forma, de tamaño y de material de la cola.

Para sensar el empuje fue necesario adaptar como sensores parlantes

piezoeléctricos (Figura 35) los cuales arrojan una señal AC proporcional al

desplazamiento de agua debido al aleteo de la plataforma. La variación AC que

genera un parlante piezoeléctrico es proporcional al empuje realizado por la

plataforma. Para aislarlos completamente del agua fue necesario recubrirlos con

una capa de látex delgada para así no generar tantas perdidas en el cambio de

medio.

43

Figura 35. Parlante piezoeléctrico.

Cada parlante piezoeléctrico esta conectado a un amplificador de instrumentación,

con ganancia de 100, el cual esta conformado por tres amplificadores

operacionales (EL5410 de montaje superficial) como se muestra en la figura 36.

La señal amplificada entra al ADC del microcontrolador 2, con resolución de 8 bits,

donde los datos se guardan en un registro para luego ser enviados serialmente al

computador.

Figura 36. Amplificador de instrumentación de los

parlantes piezoeléctricos.

Para medir la velocidad promedio de la plataforma dentro del agua se utilizaron

seis fototransistores. Cada fototransistor tiene un láser apuntándolo obteniendo así

a la salida un voltaje DC aproximado de 2V. Cuando la plataforma interrumpe el

haz de algún láser el fototransistor tiene a la salida un voltaje menor a 200mV. La

salida de este sensor está conectada a un comparador (LM 339) el cual tiene un

voltaje de referencia de 1v que se fija con el potenciómetro R2 como se muestra

en la figura 37.

44

Figura 37. Circuito de polarización fototransistores y comparador

La salida de todos los comparadores van a un encoder (74148) de 8 entradas y 3

salidas. Estas salidas entran al microcontrolador 2 el cual decodifica esta

información y de esta manera calcula la velocidad promedio.

La velocidad promedio se calculó midiendo el tiempo que se demora la plataforma

en ir de un fototransistor a otro, conociendo la distancia que hay entre ellos (10

cm). Cuando la plataforma interrumpe el primer haz de láser se prende un timer el

cual incrementa un contador cada 100us. En el momento que se interrumpe el

siguiente haz de láser se guarda el valor que se tiene en ese momento en el

contador en un registro y el contador se vuelve a iniciar. Este proceso se repite

cada vez que se interrumpe un haz de láser sumando el resultado del contador

con el valor del registro y dividiéndolo entre dos, obteniendo así la velocidad

promedio de la plataforma. El valor de la velocidad promedio es válido al cabo de

diez segundo de haber interrumpido el primer haz de láser, este tiempo fue

escogido debido a que es el máximo tiempo que gasta la plataforma de ir de un

extremo a otro.

Mientras la plataforma se encuentra en movimiento, el microcontrolador 2, guarda

los datos de los sensores piezoeléctricos y el dato de la velocidad promedio en un

registro de transmisión. Mientras el valor de la velocidad promedio no sea válido

se tiene un cero en la posición que le corresponde en el registro de transmisión,

de lo contrario se guarda el valor calculado.

Cada vez que el registro de transmisión esta completo, lo envía serialmente al

computador. La transmisión se detiene en el momento que se envía el dato válido

45

de la velocidad promedio.

Para obtener los voltajes necesarios en la transmisión serial se utilizó una

MAX232, esta se realizó por medio del puerto serial del computador. Para la

visualización de los resultados obtenidos en la plataforma de pruebas se utilizó el

programa LabView, este abre el puerto serial del computador recibiendo los datos

que el microcontrolador le esta enviando. Una vez obtiene estos datos, los

decodifica y los grafica en la interfaz con el usuario de la plataforma de pruebas,

como se muestra en la figura 38.

Figura 38. Interfaz grafica de plataforma de pruebas.

Ya teniendo los datos en la pantalla del computador, se analizan las graficas

(Capitulo 5) de las diferentes colas. De aquí se concluye que la cola que presenta

mayor empuje es la que tiene la forma 4 en caucho silicona con lámina de zinc

como se muestra en la figura 39.

46

Figura 39. Cola forma 4.

4.1.4 Fabricación de la aleta pectoral izquierda El juguete de Disney – Pixar “Finding Nemo”, plataforma base, tiene dos aletas

pectorales, las cuales no son del mismo tamaño (Figura 40), esto ayudaba a que

cuando el juguete navegaba, se inclinara hacia el lado izquierdo del mismo.

Figura 40. Vista lateral del juguete de Disney.

Debido a esto, se reemplazó la aleta pectoral izquierda por una que tuviera las

mismas dimensiones que la otra aleta pectoral, el material utilizado fue caucho

silicona y el proceso que se utilizó se encuentra descrito en los anexos.

47

Finalmente, se adhirió la aleta pectoral izquierda en caucho silicona con la aleta

inicial de la plataforma robótica por medio de un tornillo (Ver figura 41).

Figura 41. Aleta pectoral izquierda de la plataforma.

4.1.5 Fabricación del empaque de las baterías, sensor de presión y micrófono

Debido al poco espacio que se tiene dentro de la estructura interna de la

plataforma, se construyó un empaque para las baterías, que a su vez contiene el

micrófono y el sensor de presión. Para que este último tuviera contacto con el

agua se hizo un orificio en el empaque.

La batería está compuesta por cuatro pilas (Ver figura 42) de 1.5V a 2.2Ah de

Niquel-Metal. Estas las cuales fueron escogidas por la gran capacidad de corriente

que puede entregar y de este modo garantizar que la plataforma pueda estar

dentro del agua por un tiempo prolongado. El voltaje que entrega esta batería

oscila entre 4.8V y 5.7V, lo que justifica la cantidad de pilas.

48

Figura 42. Batería.

El material escogido para la fabricación de este empaque fue el látex gracias a

que es impermeable y liviano. El proceso de la fabricación de este se puede

consultar en los anexos y el resultado final se muestra en la figura 43.

Figura 43. Empaque en látex de la batería, el sensor de presión y

el micrófono.

4.2 SIMULACIÓN DE LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE LA PLATAFORMA DEBAJO DEL AGUA

Debido a que el movimiento de la plataforma se realiza por medio de la

manipulación de las fuerzas que actúan sobre ella, fue necesario estudiar el papel

que cada una de ellas juega tanto en el movimiento de plataforma como en su

49

comportamiento inercial.

El estudio de las fuerzas se llevó acabo en dos partes, una teórica y otra práctica.

La primera parte consta de un estudio teórico de las fuerzas que actúan sobre la

plataforma dentro del agua. La parte práctica busca afirmar los estudios teóricos,

con ayuda de una plataforma de pruebas se puede observar el comportamiento de

la plataforma robótica.

4.4.1 Estudio Teórico

En un vehiculo autónomo submarino (AUV Autonomous Underwater Vehicle) las

fuerzas ejercidas cuando está sumergido en el agua son: la fuerza de empuje en

el eje horizontal y las fuerzas restauradoras (gravedad y flotabilidad) en el eje

vertical (Figura 44).

Figura 44. Fuerzas ejercidas en la plataforma.

• Fuerza de empuje

La fuerza de empuje esta dada por el propulsor el cual tiene su propia dinámica.

La velocidad de este puede ser controlada obteniendo una constante de tiempo

mucho menor que la constante de tiempo de toda la plataforma robótica. Cuando

esto ocurre la dinámica del propulsor puede ser ignorada y este se puede modelar

como un estado estable.

El empuje es un modelo bilineal donde se tiene una velocidad angular (ωi) dada

por el propulsor y una velocidad lineal (vi) en dirección del movimiento de la

50

plataforma.

iiiiiii vvbb 2,1, −= ωωτ

Ecuación 7

Cuando la velocidad angular con la que se mueve el propulsor es baja, se tiene

que el vehiculo submarino se mueve de forma lenta dentro del agua, es decir, su

velocidad lineal es baja, pero en este caso el vehiculo acuático genera mayor

empuje gracias a la lentitud de su propulsor.

• Fuerzas restauradoras

Las fuerzas restauradoras están conformadas por la fuerza de gravedad y la

fuerza de flotabilidad. La primera es la que se ejerce hacia abajo dado el peso de

la plataforma robótica, por esta razón los elementos pesados dentro de esta van

en la parte inferior del robot. La segunda es una fuerza ejercida hacia arriba dada

por el espacio libre dentro de ésta. Estas dos fuerzas se miden con respecto al

sistema de coordenadas de la plataforma y siempre se encuentran en el mismo

eje vertical del centro de masa.

4.4.2 Estudio Práctico La simulación de acción y reacción de las fuerzas que actúan sobre la plataforma,

se realizó con el objetivo de conocer su comportamiento en el medio real.

• Fuerza de empuje

Como se describió en el estudio teórico, la fuerza de empuje es debida al

propulsor de la plataforma robótica, por lo que se buscó encontrar una relación de

esta fuerza con el cambio de propulsor. Para medir el cambio cuantitativo de la

fuerza de empuje entre un propulsor y otro, se construyó la plataforma de pruebas

descrita en el numeral 4.1.3.

El propulsor de la plataforma robótica es la cola, ya que es por medio de esta que

51

la plataforma se propulsa. Se construyeron 16 diferentes colas, para luego se

evaluadas y encontrar la relación entre la fuerza de empuje con la variación tanto

de material como de forma y tamaño. Después de este análisis (Capitulo 5) se

llegó a la conclusión que la cola con forma 4 construida en caucho silicona con

una lámina de zinc en su interior era la que mayor empuje ejercía.

La relación entre la velocidad angular del motor y la fuerza de empuje también fue

evaluado con la cola escogida, como se puede observar en el video anexo. De

esta prueba se obtuvo como resultado la afirmación de teoría, en cuanto se refiere

a que a menor velocidad angular mayor empuje.

• Fuerzas restauradoras

Como se expresó en el estudio teórico, las fuerzas restauradoras están

conformadas por la fuerza de gravedad y la fuerza de flotabilidad. La fuerza de

gravedad para esta plataforma consta de: el peso que tienen las pilas, el peso de

los motores, DC y servomotor, el peso de los circuitos, el peso móvil y por último

los pesos que logran la estabilidad del robot.

La fuerza de flotación que existe dentro de la plataforma consta del espacio vació

que se tiene dentro de pez y dos flotadores hechos en balso los cuales se

encuentran a cada lado de la plataforma ubicados por encima de las aletas

pectorales de éste.

Para lograr que la plataforma este en equilibrio la sumatoria de fuerzas debe ser

cero, por lo que la fuerza de flotabilidad debe ser igual en magnitud a la fuerza de

gravedad y opuestas dirección. Para lograr esto se deben manipular ambas

fuerzas.

La fuerza de gravedad depende del peso neto de la plataforma, por lo que su

magnitud puede variar agregando o quitando peso y su posición moviendo los

pesos más significativo. La fuerza de flotabilidad se modifica agregando materiales

52

con flotabilidad positiva. Para igualar estas dos fuerzas se pueden modificar

ambas y encontrar un punto de equilibrio, donde la sumatoria de fuerza sobre la

plataforma es cero. En este punto se dice que la densidad de la plataforma es

igual a la del liquido en el que esta sumergido.

Antes de manipular las fuerzas se debe hallar el centro de masa de la plataforma,

el cual se calculó de la siguiente manera: Se amarró una cuerda a la plataforma,

suspendiendo el robot por medio de esta, luego se trazó una línea recta en la

misma dirección de la cuerda. Se repitió el proceso tres veces amarrando la

cuerda a la plataforma en diferentes puntos. Después de terminar el proceso se

marcó el lugar donde todas las líneas se intersectaban, lo cual corresponde al

centro de masa.

Se debe tener en cuenta que el centro de masa se halló sin colocar las baterías,

las cuales se ubicaron estratégicamente para desplazar el centro de masa de tal

forma que la plataforma en reposo quedara estable horizontalmente, es decir, que

no tuviera inclinación ni hacia delante ni hacia atrás. Esto se pudo lograr gracias a

que el peso de la plataforma era comparable con el de las baterías.

Ya teniendo el eje del centro de masa definido, se ubicó la posición media del

peso móvil, con la cual se garantizaba que la inclinación de la plataforma fuera

nula.

Teniendo la estabilidad horizontal bajo control, se prosiguió a conseguir la

estabilidad lateral, y de esta manera asegurar que la plataforma no se ladeará. La

plataforma se encontraba ladeada hacia un lado debido a que todos los pesos

dentro de la misma estaban ubicados en la parte de la caja, por lo que se tuvo que

compensar colocando peso en la tapa.

Una vez encontrada la magnitud del peso que debía ser colocado en la tapa, se

prosiguió a dividirlo en dos y ubicarlos equidistantemente del centro de masa,

53

como se muestra en la figura 45. Esto logró que tanto la estabilidad horizontal

como la lateral de la plataforma se alcanzaran. El resultado se muestra en la figura

46.

Figura 45. Pesos en la tapa.

Figura 46. Estabilidad lateral de la plataforma.

Luego de colocar todos los pesos que debían estar dentro de la plataforma, se

observó que esta era muy pesada, por lo que era necesario contrarrestar la fuerza

de gravedad con la de flotabilidad.

Debido a que tanto la magnitud como dirección de la fuerza de gravedad no

54

podían cambiarse, se opto por manipular la fuerza de flotabilidad. Esto se

consiguió adhiriendo flotadores a la plataforma.

La dirección de la fuerza de flotabilidad es contraria a la de gravedad y debe

actuar en el eje del centro de masa, para que de esta manera no incline a la

plataforma hacia ningún lado.

Teniendo la ubicación de los flotadores, se adhirieron a la plataforma. La magnitud

de estos aumentó hasta lograr el equilibrio de ambas fuerzas, es decir, que la

plataforma ni se fuera hacia el fondo de la piscina ni flotara totalmente.

Una vez conseguido el equilibrio se colocó el peso móvil, el cual ejercía una fuerza

de gravedad comparable a la de toda la plataforma. Esto buscaba que el torque

producido por el desplazamiento del peso móvil, fuera el mayor posible,

garantizando así que la inclinación tanto del movimiento de emersión como de

inmersión fuera significativa.

Debido a que el peso móvil incrementaba la magnitud de la fuerza de gravedad, se

buscó equilibrarla aumentado la fuerza de flotabilidad, de la misma manera que se

mencionó anteriormente, aumentando el tamaño de los flotadores.

Se probaron dos materiales para los flotadores como son el icopor y el balso. El

primero fue descartado debido a que absorbía agua después de un tiempo de

estar en el fluido, además esta absorción no era uniforme para todos los casos. El

segundo material arrojó mejores resultados en cuanto a la cantidad y uniformidad

de absorción de agua. Sin embargo se impermeabilizaron los flotadores para

evitar de esta manera que la fuerza de flotabilidad cambiara durante el movimiento

de la plataforma.

Para que la diferencia entre la fuerza de gravedad y la de flotabilidad se

disminuyera, utilizó un ajuste fino y de esta manera poder cuadrar el punto de

55

equilibrio de una manera fácil. Este ajuste fino se realizó sobre la fuerza de

gravedad, por medio de la variación de masa de un cubo de plastilina. Este

material fue escogido gracias a que sus propiedades no cambian con el agua. Ya

teniendo la plataforma equilibrada en todos los ejes, se puede obtener el

movimiento de la misma sin que el propulsor realice un mayor esfuerzo.

4.3 PLATAFORMA ROBOTICA La plataforma robótica esta en capacidad de sumergirse, nadar y emerger del

agua de acuerdo con una trayectoria dada por el usuario. Este le indica la

trayectoria que debe recorrer por medio del computador, estos datos son

codificados y enviados inalmbricamente a la plataforma en el medio agua. Los

datos son recibidos y decodificados por la plataforma para así realizar el

movimiento indicado. El proceso se encuentra descrito en el diagrama 3.

Diagrama 3. Diagrama en bloques del sistema de comunicación y plataforma

robótica.

56

4.2.1 Interfaz con el usuario

El movimiento de la plataforma esta descrito por dos parámetros, la profundidad y

la distancia. Como se puede apreciar en la Figura 47, la profundidad se refiere a la

distancia en centímetros que se debe sumergir la plataforma medida desde el nivel

del agua. El parámetro de distancia es la longitud en centímetros que debe

recorrer la plataforma desde el momento que alcanza la profundidad indicada por

el usuario.

Figura 47. Descripción del movimiento de la plataforma robótica.

Se realizó una interfaz gráfica en LabView para que el usuario pudiera introducir la

trayectoria que desea en términos de la profundidad y la distancia como se

muestra en la figura 48.

57

Figura 48. Interfaz con el usuario.

En el momento que el usuario oprima el botón de enviar se codifican los datos de

la trayectoria y se envía por el puerto serial del computador el cual se encuentra

conectado con el módulo de transmisión.

4.2.2 Comunicación bajo el agua

La plataforma robótica se encontrará siempre sumergida en el agua, por tal razón

no se puede apresurar a utilizar un método de comunicación convencional. Debido

a que el medio en que se desenvuelve la plataforma es el agua, se escogió una

transmisión de datos basada en sonidos, al igual que algunos animales marítimos,

como por ejemplo las ballenas, las cuales se comunican a una gran distancia

debido a las bajas frecuencias y las altas potencias de los sonidos que emiten.

Diferentes estudios realizados acerca de la comunicación de las ballenas afirman

que las frecuencias utilizadas por estos mamíferos están un rango que comienza

en unos pocos hertz hasta cubrir casi total mente el rango audible, es por esta

razón que se escogió como primera aproximación un rango de 30Hz a 8000Hz

para la comunicación utilizada por la plataforma.

Estimando el intervalo de frecuencias a las cuales se va a transmitir, se escogió

58

como primera aproximación un sistema de transmisión y recepción por medio de

un parlante de membrana (Figura 49) y un micrófono electret. Tras un proceso de

impermeabilización se adecuó tanto el parlante como el micrófono para el medio

en el que se desarrolla la comunicación, el agua. Se probaron diferentes formas

de impermeabilizar, teniendo en cuenta los siguientes parámetros: la eficiencia y la

protección al agua. La primera se refiere a las pérdidas que se pueden presentar

debido al método de impermeabilización que se utilice. La protección al agua

como su nombre lo indica consiste en que el transmisor y el receptor este

protegidos totalmente del agua ya que este medio no es para el cual estuvieron

diseñados.

Figura 49. Parlante de membrana con impermeabilización

de guante de látex.

Teniendo estos parámetros se pusieron a prueba diferentes sistemas de

impermeabilización para parlantes de membrana:

1 Parafina: Se recubrió la membrana del parlante con una capa delgada de

parafina con la cual se buscaba aislar el líquido de la membrana, evitando

así su deterioro y permitiéndole un contacto más cercano entre la

membrana y el medio de transmisión. El resto de parlante se cubrió con

látex. Este sistema tuvo como resultado positivo la protección del agua ya

que la membrana del parlante quedó totalmente aislada del líquido. Por el

59

contrario el parámetro de eficiencia fue negativo, ya que luego de aplicar la

capa de parafina, esta se solidificó haciendo la membrana del parlante

rígida, lo que impidió el movimiento normal de la misma. Esto trajo como

consecuencia la disminución de eficiencia, es decir, el aumento de pérdidas

debido a que el parlante dejo de mover las partículas que normalmente

deben mover para así producir el sonido.

2 Silicona líquida: Se siguió el mismo proceso que se usó con la parafina, con

la diferencia que en vez de recubrir la membrana con parafina se recubrió

con silicona. Esta prueba se realizó gracias a las características que

presentaba la silicona como son impermeabilidad y flexibilidad en capas

delgadas. De este sistema se obtuvo un resultado parecido al de la

parafina, es decir, la protección al agua se cumplió pero la eficiencia volvió

a fallar. Con la silicona la membrana del parlante no se volvió rígida, pero

sin embargo la capa delgada de silicona se convirtió en un obstáculo para

el movimiento de la membrana lo que ocasionó que la eficiencia se redujera

en gran medida.

3 Aceite: Luego de analizar los anteriores métodos de impermeabilización se

buscó un método que opusiera menos resistencia al movimiento de la

membrana del parlante, como respuesta a esto se utilizó el aceite por sus

propiedades repelentes al agua. El resultado de este sistema fue totalmente

contrario a sus antecesores ya que como era de esperarse el aceite no se

opuso al movimiento de la membrana lo que da un resultado positivo el

índice de eficiencia, pero el índice de protección al agua fue negativo, ya

que el aceite no protegió adecuadamente la membrana dejando filtrar el

liquido, permitiendo así el deterioro de la misma.

4 Látex: Después de los anteriores intentos fallidos se buscó un sistema que

no afectara el material de la membrana, y de esta forma no cambiara sus

propiedades intrínsecas al mismo tiempo que protegiera el parlante. La

60

repuesta a esta búsqueda fue el látex, utilizando un guante quirúrgico de

dicho material para el recubrimiento del parlante, garantizando así la

impermeabilidad y flexibilidad. Al hacer la prueba se produjo excelentes

resultados ya que cumplió con los dos parámetros que se buscaban. Luego

de este resultado se prosiguió a hacer pruebas donde se pudiera medir la

eficiencia de la impermeabilización.

Teniendo ya el transmisor y receptor a utilizar, se hizo un estudio con base en

pruebas sobre la frecuencia que tiene un mejor comportamiento en el agua en

cuanto a eficiencia se refiere (Capitulo 5). Los resultados obtenidos arrojaron que

el mejor rango de frecuencias, donde se recibe mejor la señal de la fuente, estaba

entre los 550Hz y 1200Hz.

4.2.3 Módulo de transmisión

El módulo de transmisión es el encargado de recibir los datos en forma serial

desde el computador, para luego ser enviados a la plataforma. Este módulo consta

de un microcontrolador 1, un filtro, un amplificador de potencia y un parlante de

membrana, como se muestra en el diagrama 4.

Diagrama 4. Diagrama en bloques del módulo de transmisión.

Luego que el usuario oprime el botón de enviar en la interfaz gráfica (Figura 47),

los datos son enviados en forma serial desde el computador y son recibidos por el

microcontrolador 1. Este se encarga de identificar cada bit para luego traducirlo en

sonido. Esto se logra asignando una frecuencia a cada estado del bit, es decir,

61

cuando el bit es un cero lógico se le asigna una frecuencia f1 y cuando el bit es un

uno lógico se le asigna una frecuencia f2. Estas frecuencias se escogieron con

base al rango de frecuencias anteriormente nombrado, donde las frecuencias f1 y

f2 se muestran en la tabla 2.

Estado del Bit Frecuencia

0 600 Hz (f1)

1 1000 Hz (f2)

Tabla 2. Asignación de frecuencias a cada bit. El microcontrolador 1, antes de enviar los datos, construye la trama de transmisión

que tiene un tamaño de 15 bits. Esta está compuesta por un código de inicio, la

profundidad y la distancia indicada por el usuario como muestra la figura 50. El

código de inicio es el número 21, consta de cinco bits y es la trama más crítica ya

que ningún bit se repite, el número en binario es 10101. Los otros diez bits se

refieren a la profundidad y distancia que debe recorrer la plataforma. La duración

de cada bit o sonido es de un segundo, lo que indica que la trama tiene una

duración de quince segundos. El tiempo de duración de bit fue escogido debido al

transiente que presenta el parlante de membrana, el cual oscila en un rango de

20ms a 300ms.

Figura 50. Trama de transmisión.

La salida del microcontrolador 2 está conectado a un filtro pasabanda de segundo

orden, como se muestra en la figura 51, el cual tiene como frecuencia central

fo=800Hz y un ancho de banda de 400 Hz. Este se encarga de filtrar la señal que

sale del microcontrolador 1 dándole una forma sinusoidal, ya que este genera una

señal cuadrada.

62

Figura 51. Filtro pasabanda.

La salida del filtro pasabanda está conectada a un amplificador de potencia (figura

52). Este se encarga de amplificar la señal sinusoidal para luego ser transformada

por el parlante de membrana en sonido. Esta etapa de amplificación da la potencia

necesaria para poder recibir la señal de la fuente en cualquier lugar de la piscina.

Figura 52. Amplificador de potencia.

Dentro de la piscina se encuentra un parlante piezoeléctrico que se encarga de

detectar si la plataforma robótica se mueve después de haber enviado los datos.

Si esto no sucede, es decir, si el parlante no detecta movimiento después de la

transmisión, el microcontrolador 1 debe volver a enviar los datos y repetir el

proceso anteriormente expuesto.

63

4.2.4 Plataforma robótica

La plataforma robótica está en capacidad de recibir la información enviada por el

usuario a través de agua, para luego decodificarla y realizar el movimiento

requerido por este. La plataforma tiene dos funciones principales como son la

recepción y realización de la trayectoria, las cuales actúan consecutivamente.

La plataforma robótica se encuentra en reposo esperando la transmisión, ya sea

la primera vez que se prende o luego de realizar la trayectoria indicada por el

usuario. La recepción está compuesta por los siguientes bloques (diagrama 5).

Diagrama 5. Diagrama en bloques de la plataforma robótica.

Receptor

El receptor esta compuesto por un micrófono electrec, una etapa de polarización

del micrófono y una etapa de preamplificación. El micrófono electrec es el

encargado de recibir la señal de audio enviada por el módulo de transmisión, y se

encuentra ubicado en la parte inferior de la plataforma.

La etapa de polarización como su nombre lo indica polariza el micrófono, como se

muestra en la figura 53. La etapa de pre-amplificación amplifica la entrada del

micrófono como se ve en la figura 53, se hace antes de la etapa de filtrado para

evitar ruido eléctrico. La ganancia de esta etapa es de 15.

64

Figura 53. Etapas de polarización y preamplificación.

Filtrado:

Este bloque consta de un filtro pasabanda de segundo orden con una frecuencia

central en 800Hz y un ancho de banda de 400Hz como se muestra en la Figura

54, su función es filtrar todas las señales que tengan una frecuencia diferente a las

de la transmisión. Entre las señales no deseadas que más se presentan a la

salida del micrófono son las debidas al movimiento del agua con respecto a la

plataforma, las cuales poseen frecuencias muy bajas con magnitudes muy altas lo

que impide que estas señales sean filtradas en su totalidad.

Figura 54. Etapa de filtrado.

Amplificación:

Este bloque se encarga de amplificar la señal de entrada una vez filtrada, para

luego ser analizada en el microcontrolador 3. El valor de amplificación de esta

etapa es de 100, se dejó la mayor ganancia para esta ya que la señal de entrada

ya se encuentra filtrada, teniendo en este punto solo la señal transmitida. De esta

forma ayudar a que se puedan recibir los datos de la fuente a mayor. Su

configuración se encuentra en la figura 55.

65

Figura 55. Etapa de amplificación.

Decodificación

La entrada a este bloque es la señal de audio recibida por el micrófono una vez

filtrada y amplificada. Este bloque es el encargado de decodificar la trama enviada

por el módulo de transmisión para así verificarla y realizar la trayectoria indicada

por el usuario.

Para decodificar la trama de datos la señal de entrada ingresa al microcontrolador

3 por medio de un Conversor Análogo Digital (8 bits) el cual tiene un tiempo de

conversión de 11us. El proceso de decodificación en el microcontrolador 3 esta

descrito en los diagrama 6, 7 y 8.

Mientras la plataforma se encuentra en reposo, el microcontrolador 3 hace polling

cada 15us al pin de recepción (ADC). Mientras la señal de entrada se encuentre

entre 2.4V - 2.6V la plataforma permanece en estado de reposo. Este umbral

permite al microcontrolador no procesar la señal de entrada cuando es un ruido.

Luego que la señal de entrada supera este umbral pasa del estado de reposo al

estado de recepción, en el cual calcula la frecuencia de la señal de entrada lo que

le indicará cual estado le corresponde al bit.

66

Diagrama 6. Diagrama de flujo del algoritmo de la comunicación.

67

Diagrama 7. Diagrama de flujo de la función frecuencia.

68

Diagrama 8. Diagrama de flujo de la función decode.

La detección de la frecuencia de la señal de entrada se realiza buscando los

máximos de la señal para así calcular el periodo, el cual es el tiempo entre dos

máximos seguidos (Figura 56). Este método fue escogido debido a que la

información puede estar sobre la señal de movimiento del agua, lo que descarta

totalmente el método de cruces por cero. El método de las pendientes tiene como

tiempo máximo de procesamiento periodo y medio de la señal de entrada.

Figura 56. Método para hallar la frecuencia.

El proceso para calcular los máximos se explica a continuación:

1. El ADC del microcontrolador 3 inicia la conversión, una vez que el dato sea

válido se guarda en un registro ref1.

69

2. Se repite el paso anterior guardando el dato válido en el registro ref2,

teniendo en cuenta que el tiempo entre un dato y otro es de 11us.

3. Se evalúa la diferencia entre los datos guardados en ref1 y ref2. El

resultado de esta operación indica el signo de la pendiente de la tangente

de la señal en dicho momento.

4. Cuando hay un cambio de pendiente de positiva a negativa se tiene un

máximo (Ver figura 56).

5. Cuando se detecta el primer máximo se inicia un timer, el cual incrementa

un contador cada 50us.

6. Con la detección del segundo máximo se detiene el timer y se guarda el

valor del contador, dicho valor hace referencia a la frecuencia recibida.

Se verifica la validez del dato recibido, es decir, la validación de la frecuencia

recibida. Esta frecuencia debe estar en los rangos de aprobación para ser

aceptada como uno, como cero o como dato no válido como se muestra en la

tabla 3. Si el dato que se recibe no es válido la plataforma regresa al estado de

reposo. Si por el contrario el dato es válido, es decir la frecuencia es válida, se

comienza el proceso de decodificación de la trama de transmisión.

Dato Fmax (Hz) Fmin (Hz)

Cero lógico 714 512

Uno lógico 1250 909

No válido Resto Resto

Tabla 3. Rango de frecuencias para ser aceptada como válida o no.

El proceso de decodificación de la trama comienza con la espera de un tiempo de

500ms (mitad del tiempo de bit), luego de este tiempo, se vuelve a realizar el

proceso de detección y verificación de frecuencia. Si en una primera muestra el

dato no es válido, se repite el procedimiento hasta que el dato se considere como

válido. Si esto no ocurre en menos de 10 intentos se cancela toda la recepción y

la plataforma regresa al estado de reposo. Si por el contrario el dato se toma como

70

válido dentro del máximo de intentos, se guarda y se sigue con la recepción del

resto de trama.

Luego de guardar el primer bit de la trama, se prosigue a detectar y verificar los

14 bits restantes, teniendo en cuenta que la detección de cada bit esta espaciada

un segundo. La trama es guardada en tres registros diferentes, los primeros cinco

bits se guardan en un registro llamado código de inicio, los cinco bits siguientes en

otro llamado profundidad y los últimos cinco en uno llamado distancia.

Verificación del dato

En este bloque se busca verificar el dato que se recibe, esto se realiza validando

el código de inicio, el cual debe ser igual a 21, si esto ocurre la plataforma

empieza a realizar el movimiento descrito por el usuario. Si por el contrario, no se

detecta un 21 se cancela la recepción y la plataforma regresa al estado de reposo.

Ya teniendo los datos de profundidad y distancia indicada por el usuario se

prosigue a que la plataforma realice dicha trayectoria. La plataforma esta en

capacidad de realizar movimientos en dos ejes el y (adelante) y el eje z (arriba-

abajo), estos movimientos son suficientes para llevar acabo la tarea indicada por

el usuario. La plataforma lleva acabo dichos movimientos por medio de dos

motores y dos sensores, los cuales están controlados por un algoritmo de control

que se encuentra programado en el microcontrolador 3.

El movimiento en el eje z se logra creando un torque entre la fuerza de flotabilidad

y la fuerza de gravedad. Esta primera se mantiene constante tanto en magnitud

como en dirección durante todo el movimiento. La segunda mantiene su magnitud

pero cambia su dirección, por medio del movimiento de un peso (peso móvil)

dentro de la plataforma. La magnitud de la fuerza debida al peso móvil es

considerable con respecto al resultado de la sumatoria entre la fuerza de

flotabilidad y de gravedad, para que la inclinación de la plataforma fuera

representativa al mover el peso.

71

Este peso se mueve gracias a que se encuentra sujetado al servomotor por medio

de una lámina de aluminio, como se muestra en la figura 57. La plataforma se

inclina en la misma dirección en la que se mueve al peso móvil, como se explicó

en el numeral 4.2. Esta inclinación es controlada por el algoritmo de control, el cual

le indica al servomotor cuando debe mover el peso para que la plataforma se

sumerja, se mantenga estable o emerja del agua.

Figura 57. Peso movible sujetado al servomotor.

Algoritmo de control

El control escogido es un control proporcional saturado; es saturado ya que se

busca que al comienzo de la inmersión y al final de la emersión el movimiento de

la masa móvil logre vencer las fuerzas de flotabilidad y gravedad respectivamente.

En el momento que este llegando a la profundidad indicada por el usuario la

plataforma debe realizar un movimiento suave, por este motivo se escogió un

control proporcional.

La malla de control tiene como sensores un acelerómetro y un sensor de presión,

y como actuadores el servomotor y el motor DC. El sensor de presión tiene como

función indicar la profundidad a la cual se encuentra la plataforma por medio de la

presión que sensa en ese momento y es traducida en voltaje. La señal de salida

del sensor de presión es amplificada por medio de un amplificador de

instrumetación el cual tiene una ganancia de 100, como se muestra en la figura

58. Esta señal entra al ADC (8 bits y tiempo de conversión de 11us) del

72

microcontrolador 3 donde es decodificada y analizada por el algoritmo de control.

El voltaje que entra al microcontrolador 3 disminuye 0.2V cada 10cm de

profundidad, el tiempo de muestreo de este sensor es de 500ms.

Figura 58. Amplificador de instrumentación del sensor de presión.

El acelerómetro es el encargado de hacer la retroalimentación del movimiento de

la plataforma, es decir, indica cual es la inclinación de la misma por medio de su

salida digital. Esta salida se encuentra entre 0V y la fuente de polarización a una

frecuencia de 151Hz. Esta señal entra directamente al microcontrolador 3 el cual

analiza su ciclo útil para así traducirlo en inclinación.

El servomotor es el encargado de cambiar la inclinación de la plataforma, este

ángulo depende del ciclo útil de la señal de entrada. Esta señal es generada por el

microcontrolador 3 dependiendo del movimiento que se desea, la frecuencia de

esta señal es de 500Hz y sus rangos de voltaje van de 0V a la fuente de

polarización.

Por último, el motor DC es el encargado de darle el movimiento a la plataforma en

el eje y, es decir, es el que impulsa a la misma. El motor tiene como entrada una

señal DC, la cual se varía de 0.7V – 1.5V para cambiar la velocidad del mismo. La

señal que sale del microcontrolador 3 para controlar la velocidad de este motor, es

una señal cuadrada de 500Hz, la cual varía su ciclo útil de acuerdo a la velocidad

requerida, este ciclo útil va desde el 64% para la velocidad mínima hasta el 100%

para la velocidad máxima. Esta señal cuadrada es convertida en una señal DC por

medio de un filtro pasivo de primer orden, su configuración se encuentra en la

figura 59. Como se puede observar en esta figura también se encuentra una

73

configuración darlington de transistores, con la cual se maneja la corriente que le

entrega el microcontrolador al motor.

Figura 59. Circuito para el motor DC.

Como ya se mencionó anteriormente es el algoritmo de control es el que hace

que la plataforma realicé el movimiento adecuado por medio de los sensores y

actuadores de la malla de control, el diagrama de flujo que describe el algoritmo

se encuentra en el diagrama 9.

En el momento que se realiza una recepción exitosa de la trayectoria a seguir, se

inicia el procesamiento del algoritmo de control, sensando la posición actual de la

plataforma, lo que se refiere a la altura en la cual se encuentra la plataforma. Esta

altura es determinada por el sensor de presión, cuyo valor de voltaje es convertido

y guardado en un registro (pactual).

Luego de tener la altura o la presión a la cual está la plataforma, el algoritmo

evalúa si la posición actual es igual, menor o mayor de la posición que desea

llegar, este valor esta guardado en un registro llamado pfinal. En un principio pfinal

es igual al valor escogido por el usuario (profundidad).

74

Diagrama 9. Diagrama de flujo del algoritmo de control.

Luego de evaluar la diferencia entre pactual y pfinal el algoritmo decide los

movimientos que deben realizar los motores. Si la diferencia entre pactual y pfinal

es mayor a una diferencia límite llamada hlim (10cm) se utiliza un control on/off, de

lo contrario se realiza un control proporcional.

75

Si la diferencia de las alturas es mayor a hlim y pcatual es mayor a pfinal, el

servomotor ubica la masa móvil en la parte de adelante de la plataforma, este

movimiento es conocido como inmersión (figura 60). Si por el contrario pactual es

menor a pfinal, la masa es ubicada en la parte trasera de la plataforma, para que

esta realice el movimiento de emersión (figura 61).

Figura 60. Movimiento de inmersión.

Figura 61. Movimiento de emersión.

En el momento que la diferencia entre pactual y pfinal es menor la altura límite

(hlim) se realiza el control proporcional tanto a la posición del servomotor como a

la velocidad del motor DC (Ver Diagrama 9).

Como se mencionó anteriormente, se realiza este tipo de control para obtener un

movimiento suave a la llegada de la plataforma a la profundidad requerida por el

usuario. Es por esto que el movimiento del servomotor depende directamente de

la diferencia entre pactual y pfinal, es decir, mientras sea más pequeña la

diferencia entre estas dos alturas la ubicación de la masa estará mas cerca de la

posición de equilibrio. La posición de equilibrio se refiere a cuando la plataforma

se encuentra totalmente horizontal, por consiguiente la masa móvil debe estar en

el eje del centro de masa de la plataforma.

76

El movimiento del servomotor es vigilado a partir de la señal que arroja el

acelerómetro. Mientras la plataforma no llegue a la inclinación indicada, la señal

de entrada del servomotor permanece encendida. La inclinación de la plataforma

es hallada por medio del ciclo útil de la señal de salida del acelerómetro.

La velocidad del motor DC disminuye con relación a la diferencia entre pactual y

pfinal, para que la plataforma tenga la velocidad mínima cuando llega a la

profundidad requerida.

Cuando pactual es igual a pfinal, es decir, la plataforma llegó a la profundidad

requerida, se inicializa un contador que se incrementa cada 50us, este contador se

utiliza para calcular el tiempo recorrido por la plataforma a la profundidad indicada

por el usuario. Este tiempo es convertido a distancia sabiendo que la plataforma

se mueve a la velocidad mínima en promedio.

Teniendo ya esta distancia se compara con la distancia indicada por el usuario,

cuando la distancia actual es mayor a la distancia del usuario se cambia el valor

de pfinal por la altura inicial de la plataforma, dando por terminado el moviendo

horizontal de plataforma e iniciando el de emersión.

El movimiento de emersión sigue las reglas determinadas por la diferencia entre

pcatual y pfinal. Si esta diferencia es menor a hmin el movimiento del servomotor

esta regido por el control proporcional, de lo contrario se rige por el control

saturado (Diagrama 9). En el momento que pacutal vuelve a ser igual a pfinal

indica que la plataforma retornó a su posición inicial, es decir, el movimiento

descrito por el usuario ya fue realizado, por lo que la plataforma regresa a el

estado de reposo preparado a recibir otra trayectoria.

77

5. ANALISIS DE RESULTADOS

5.1 Relación del empuje y velocidad de la plataforma con diferentes tipos de colas Se realizaron diferentes pruebas para encontrar la relación que existe entre el

empuje y velocidad con respecto a los cambios en el propulsor, la cola. Para

medir tanto el empuje como la velocidad de la plataforma se utilizó la Plataforma

de Pruebas, su funcionamiento esta descrito en el Capitulo 4.

El entorno de pruebas se muestra en la figura 62. En la interfaz gráfica se pueden

observar los siete sensores que captan el empuje que hace la plataforma, así

como la velocidad promedio que experimenta la misma a través de toda la

trayectoria.

Figura 62. Entorno de pruebas.

Los sensores 1, 2 y 3 describen el empuje que hace la plataforma hacia atrás. El

sensor 1 capta el empuje que hace la plataforma en la línea del movimiento. El

sensor 2 esta ubicado al lado derecho del sensor 1, lo que indica que este

registrará el empuje que hace hacia esta dirección, al igual que el sensor 3 que

78

esta ubicado a la izquierda del sensor 1.

Los demás sensores captan el empuje que la plataforma realiza hacia el lado

parte de los resultados que se muestran en la interfaz gráfica de la plataforma de

Forma 1- Caucho Silicona

izquierdo de la misma. Estos sensores están espaciados 15cm entre sí y de tal

manera describen el empuje en de la plataforma en toda su trayectoria. Están

colocados en forma descendente, es decir, el sensor 4 es el que encuentra más

cerca al punto de partida y en sensor 7 es el que esta más lejos de este.

A

pruebas, se tiene un video anexo para observar el comportamiento de la

plataforma robótica con cada una de las colas.

•

Figura 63. Forma 1 caucho silicona.

79

La magnitud que se puede observar en todos los sensores es muy pequeña, lo

que indica que el empuje realizado por la plataforma no es muy significativo. La

velocidad es de 4,5 cm/seg, la que resulta un poco lenta.

También se puede apreciar tanto en la gráfica como en el video anexo, que el

empuje lateral es muy poco, dando como resultado que este tipo de cola no

presenta un gran empuje hacia ningún lado. Se debe tener cuenta que el empuje

que mas sobresale es el empuje en la línea de movimiento (sensor 1), lo que se

hace notorio en la gráfica ya que es este el que tiene mayor amplitud y en el video

por que la plataforma mantiene su movimiento hacia adelante con muy poca

desviación hacia los lados.

Como se puede observar en el video, la plataforma no presenta ningún

movimiento lateral. El ángulo que recorre la cola es pequeño, lo que se refiere a

que cuando la cola hace su movimiento de derecha a izquierda, los límites de este

movimiento están muy cercanos al eje central, por lo que indica que el agua que

desplaza es menor.

• Forma 2- Caucho Silicona

Esta cola presenta mayor empuje que la anterior, como se puede observar en la

magnitud de las gráficas y en el desplazamiento de agua como se muestra en el

video anexo. La velocidad promedio es de 5,58 cm/seg, un poco mayor a la

anterior.

La gráfica muestra que el sensor 1 es el que presenta una mayor amplitud, por lo

que se puede intuir que el movimiento de la plataforma es en forma recta. Sin

embargo se puede observa la diferencia que existe entre el sensor 2 y 3, lo que

indica que la plataforma gira un poco hacia un lado, permaneciendo esta

constante durante toda la trayectoria.

80

Figura 64. Forma 2 caucho silicona

Como muestran los sensores laterales, esta cola realiza un empuje lateral y

corroborando con el video, este empuje se debe al movimiento que la plataforma

realiza hacia los lados (cabeceo). Este movimiento se debe a la respuesta de la

plataforma con respecto a la resistencia que ejerce el agua al movimiento de la

cola. El ángulo que recorre la cola es mayor que el anterior.

• Forma 3- Caucho Silicona

Hasta el momento esta es la cola que presenta la menor velocidad 4,50 cm/seg.

La magnitud del empuje en el sensor 1 es mayor a sus antecesoras.

81

Figura 65. Forma 3 caucho silicona.

Como se puede observar existe una gran diferencia entre el sensor 1 con el 2 y 3,

lo que indica que el empuje de este tipo de cola es directivo, ya que el empuje que

registran los sensores adjuntos a la línea de movimiento es mucho menor que el

que presenta el sensor 1. Un resultado a esta notoria diferencia es la linealidad del

movimiento.

En el video anexo se puede encontrar que el empuje que hace la cola, es hecho

en un gran porcentaje en la parte final de la misma, lo que se puede corroborar en

las gráficas. Gracias a que este tipo de cola es alargada, el movimiento de la

misma es ondulatorio, lo que hace que el mayor empuje se presente en la parte

final de esta.

La plataforma no presenta ningún movimiento de cabeceo, lo que implica que el

empuje registrado es debido únicamente al movimiento de la cola. El ángulo que

82

esta recorre es pequeño, sin embargo la longitud de la cola permite que esta

realice movimientos más abiertos que los de su base.

• Forma 1- Caucho Silicona con Acetato

Figura 66. Forma 1 caucho silicona con acetato.

Esta es la primera cola con una varianza en su composición, el acetato. En esta

cola se encuentra una lámina de acetato entre las dos capas de caucho silicona,

con esto se buscaba mayor rigidez. Como se puede observar esta cola presenta

un aumento en la velocidad, la cual es de 11,76 cm/seg.

La magnitud del empuje del sensor 2 y 3 también sufrió un aumento, al igual que

lo captado por los sensores laterales, lo que indica que el movimiento longitudinal

de la plataforma se debe al empuje lateral, el cual que se presenta

simétricamente.

83

En el video anexo se observa que el cabeceo de la plataforma también se

incrementa, lo que a su vez aumenta el desplazamiento de agua hacia los lados,

captados por los sensores laterales, como se muestra en el gráfica.

En el video también se puede observar que el movimiento total de la cola sigue la

base de la misma, es decir, el movimiento que se le imprime a la cola en su base

se extiende sobre la misma.

Esto permite que se desplace una mayor cantidad de agua de manera más rápida,

lo que no se puede observar en la cola de caucho silicona de la misma forma, ya

que esta no tiene la suficiente fuerza para vencer la resistencia del agua para

moverse completamente.

• Forma 2- Caucho Silicona con Acetato

Figura 67. Forma 2 caucho silicona con acetato.

84

En esta cola no se presenta el aumento de velocidad como ocurrió con la anterior

del mismo material. La velocidad que esta presenta es de 5,22 cm/seg.

Con respecto al empuje, se puede observar en las gráficas que la magnitud que

predomina es la del sensor 3, lo que no se notaba en anteriores tipos de cola. Con

el video se puede observar que este comportamiento se debe a que la plataforma

no sigue un movimiento lineal sino que tiende hacia el lado derecho.

Al moverse la plataforma hacia el lado derecho, la línea de movimiento cambia,

alineándose con el sensor 3, lo que explica su gran magnitud con respecto a los

sensores cercanos.

Los últimos dos sensores laterales no registraron un gran empuje lo que se debió

al giro que presentó la plataforma hacia el lado derecho. Lo que no ocurrió con los

dos primeros lo cuales registraron el empuje que hizo la plataforma hacia los

lados, como se puede analizar esta magnitud fue grande en comparación con las

anteriores, lo que indica que esta cola tiene mayor empuje hacia los lados.

Esta cola también sigue con el movimiento de su base, lo que hace que desplace

más y con mayor rapidez el agua. Sin embargo esta cola sigue rígidamente el

movimiento a diferencia que la anterior, la cual también sigue el movimiento pero

con la presencia de algunas ondulaciones, producidas por la mayor longitud y área

que la cola de la forma 1 tiene. Este tipo cola también hace que la plataforma

presente cabeceo, que como se dijo anteriormente este movimiento desplaza el

agua con el cuerpo de la misma.

• Forma 3- Caucho Silicona con Acetato

La velocidad que presenta esta plataforma con este tipo de cola es de 6.23cm/seg.

El empuje hacia atrás es mayor, teniendo en cuenta los tres sensores traseros.

85

Figura 68. Forma 3 caucho silicona con acetato

Esta cola proporciona un movimiento lineal, ya que el empuje de esta es

completamente hacia atrás, lo que se puede deducir observando la magnitud de

los sensores laterales que es mínima.

Haciendo un paralelo entre el video y la gráfica, se puede observar que la

plataforma cambia su línea de movimiento, alineándola con el sensor 2, lo que

explica su magnitud.

EL movimiento de esta cola es ondulatorio, lo que permite que se creen unos

vórtices, los cuales aumentan el empuje hecho hacia atrás, además de hacerlo

directivo.

Es importante notar en el video, que el movimiento de la plataforma no presenta

cabeceo, por lo que el desplazamiento de agua hecho por el cuerpo de la

86

plataforma es nulo, teniendo como resultado una disminución del empuje lateral

total.

• Forma 1- Caucho Silicona con Zinc

Figura 69. Forma 1 caucho silicona con zinc

La velocidad de la plataforma con este tipo de cola es de 9,66 cm/seg, la cual es

un poco menor a la velocidad que presenta con la cola de caucho silicona con

acetato de la misma forma.

En la gráfica se muestra un cambio brusco en el sensor 7, lo que se debe a que la

plataforma chocó con este mientras recorría la piscina.

El empuje que presentan los sensores traseros corresponde al mostrado en las de

su forma. En cuanto a los sensores laterales, se aumenta el promedio del empuje,

lo cual es debido a que el cabeceo de la plataforma se incrementa también.

87

Este cabeceo se debe a que la rigidez de la cola se aumentó con la lámina de zinc

que lleva dentro de esta, por consiguiente desplaza mayor agua, como se puede

observar en el video.

El movimiento de la cola sigue rígidamente el de su base, lo que se encontró en

colas anteriores. Esta en una diferencia entre su homóloga de caucho silicona con

acetato, ya que esta última presenta un movimiento más suave, es decir, no

presenta la rigidez del zinc.

• Forma 2- Caucho Silicona con Zinc

Figura 70. Forma 2 caucho silicona con zinc

El empuje que presenta los sensores en este tipo de cola, tienen una forma

totalmente diferente a los anteriormente vistos. Esto se debe al movimiento que

88

tiene la plataforma, la cual gira sobre su mismo eje sin presentar desplazamiento

longitudinal.

La velocidad de la plataforma no se pudo calcular, ya que la forma de hacerlo está

orientada a la detección de un moviendo longitudinal a través de la piscina.

El movimiento que presenta la plataforma se puede observar tanto en el video

como en el análisis de la gráfica, en donde se presenta una primera aparición del

empuje en el sensor 2, luego desparece por un tiempo, para luego se captado por

el sensor 7, lo que indica que el giro es en contra de las manecillas de reloj. Esto

se repite con los sensores 6, 5 y 4 consecutivamente.

Al analizar el movimiento hecho por la plataforma, se puede deducir que este tipo

de cola esta haciendo un gran empuje hacia la izquierda, sin ser contrarestado con

su opuesto simétrico. Por consiguiente no existe empuje en dirección de la línea

de movimiento.

Este movimiento se presenta debido a la disminución de flexibilidad en una cola

con un área de desplazamiento tan pequeña.

• Forma 3- Caucho Silicona con Zinc

La magnitud del empuje en los sensores traseros es ligeramente mayor que con

los anteriores tipos de colas, como se puede ver en la gráfica.

Como se puede observar tanto en el video como en la gráfica de los sensores

laterales, la plataforma desplaza una mayor cantidad de agua hacia los lados. Por

lo que el empuje sobre estos se mantiene a lo largo de la trayectoria.

89

Figura 71. Forma 3 caucho silicona con zinc

Como se mencionó anteriormente el zinc hace que la cola obtenga mayor rigidez,

por consiguiente pierde su flexibilidad. En esta forma de cola esto afecta en gran

medida, debido a que este tipo de cola aprovecha la flexibilidad para crear los

vórtices, que a su vez empujan la plataforma sin permitir que esta se desvíe.

Como se puede ver, la forma de esta cola tiene una constante en su

comportamiento, como es el de garantizar un movimiento lineal, que con este

material se pierde, debido a la rigidez de la misma, producido por la lámina de

zinc.

90

• Forma 4- Caucho Silicona con Zinc

Figura 72. Forma 4 caucho silicona con zinc.

Esta cola es la que presenta menor velocidad entre todas las colas probadas, la

cual es de 3,89 cm/seg. Sin embargo es la que presenta mayor empuje como se

puede observar tanto en el video como en la gráfica.

Esta forma fue probada pero no registrada en otros materiales. En caucho silicona

presentaba el mismo comportamiento que con la forma 1, ya que el movimiento de

la base no se reflejaba en toda la cola, por lo cual el desplazamiento de agua era

mínimo. Algo parecido ocurrió con la de caucho silicona con acetato, debido a su

tamaño el acetato no pudo vencer la resistencia del agua, por lo que también el

desplazamiento del agua fue mínimo.

En cuanto al PVC, se obtuvieron problemas de quebrantamiento de la cola en su

base, debido la rigidez del material, el tamaño y el constante movimiento de esta.

91

Sin embargo se hicieron pruebas con la cola de forma 4 con caucho silicona con

lámina de zinc. Con esta se obtuvo un gran empuje hacia todos los lados, tanto en

la parte trasera como en la lateral. Debido a la gran área de la cola, esta puede

desplazar mayor cantidad de agua, la cual se traduce en empuje. También este

tipo de cola hace que la plataforma presente un movimiento de cabeceo, el cual es

casi simétrico debido a la velocidad que lleva esta.

Como se puede observar en el video esta cola logra desplazar una gran cantidad

de agua, mientras su trayectoria es lineal. En otras colas el cabeceo influía en la

linealidad de la trayectoria, lo que no se observa en esta debido a la baja

velocidad de la plataforma. En el movimiento de la cola, se presentan

ondulaciones de la misma debido a su gran longitud, permitiendo así un mayor

ángulo de desplazamiento en la parte final de esta, lo que se traduce en mayor

empuje.

• Forma 1- PVC En la gráfica se puede observar un aumento del empuje sobre los sensores

laterales. Sin embargo la velocidad no tiene un aumento significativo, ya que se

encuentra dentro del promedio, su valor es de 6,47 cm/seg.

En el video se muestra como el movimiento de cabeceo se incrementa con este

tipo de cola, lo que se ve reflejado en la gráfica con el aumento del empuje lateral.

Esto indica que el empuje registrado por los sensores laterales, corresponde al

desplazamiento de agua producido por el cuerpo de la plataforma robótica.

92

Figura 73. Forma 1 PVC

El cabeceo irregular que experimenta la plataforma hace que esta se desvíe de su

línea de movimiento, por lo que este deja de ser lineal. El empuje que la

plataforma realiza en dirección de la línea de movimiento no tiene un aumento

significativo, lo que se ve reflejado en la velocidad que experimenta la plataforma.

El movimiento que experimenta la cola es bastante rígido, lo que se debe a la

composición de la misma y su grosor, oponiéndose así a la flexibilidad en el

movimiento de esta.

• Forma 2- PVC

Antes de analizar la gráfica, se debe observar en el video el movimiento que

presenta la plataforma, en donde primero no presenta ninguna clase de

desplazamiento aunque la cola se esta movimiento.

93

Figura 74. Forma 2 PVC

Luego comienza a girar sobre su propio eje como se presentó con esta misma

forma de caucho silicona con zinc. Observando la gráfica, se puede analizar que

el empuje sobre el sensor 1 se mantiene durante un largo tiempo, para luego ser

captando por el sensor 2, lo que ocurre consecutivamente con el resto de

sensores, teniendo en cuenta que el giro es en contra de las manecillas del reloj.

Como se puede analizar, la forma de esta cola es la que hace que el empuje hacia

el lado izquierdo sea mucho mayor, moviéndose de esta manera en círculo.

• Forma 3- PVC

Este tipo de cola hace que la velocidad de la plataforma aumente, su valor es de

12,38 cm/seg. El empuje hacia atrás es mayor, teniendo en cuenta que hacia los

lados no es muy notorio.

94

Figura 75. Forma 3 PVC

En el video se puede observar que la plataforma presenta un ligero movimiento de

cabeceo, lo que indica que el empuje que registraron lo sensores depende en su

mayoría del movimiento de la cola. Es por esto que la magnitud de los sensores

laterales no es muy grande.

La trayectoria que sigue la plataforma con este tipo de cola es lineal, sin embargo

se presenta una pequeña desviación hacia el lado izquierdo, lo que se confirma

con la diferencia entre el sensor 2 y 3. Debido a la longitud de este tipo de cola, el

material la hace más rígida pero no pierde su flexibilidad totalmente. Lo que ayuda

a que su parte final tenga mayor movimiento, permitiendo así mayor

desplazamiento de agua.

Análisis:

95

Para el movimiento tanto de emersión como de inmersión, se necesita que la

plataforma venza la fuerza de gravedad y de flotabilidad respectivamente. Por lo

que buscó la cola que presentará mayor empuje. Luego de observar el

comportamiento de la plataforma con cada tipo de cola se llegó que la cola más

adecuada para la plataforma es la cola con forma 4 de caucho silicona con lámina

de zinc. Esta decisión se tomo debido al empuje que ejercía esta cola es mayor a

las demás.

La forma 3 tiene un empuje directivo, lo que hace que este solo este enfocado

sobre la línea de movimiento, permitiendo así que la trayectoria posea mayor

linealidad. En cuanto a la forma 2, presenta un gran empuje lateral sin equilibrio, lo

que hace que tienda a girar sobre su mismo eje, esto se debe a su poca área de

contacto. Es importante notar la diferencia que hacen lo materiales, si la cola es

muy flexible esta no puede vencer la resistencia que ejerce el agua, pero si es

muy rígida sigue con el movimiento de la base lo que hace el ángulo de barrido no

sea muy grande.

En el momento que se encuentra un equilibrio entre estos dos extremos, se puede

observar que la cola barre un ángulo mayor al de la base, lo que incrementa el

empuje hecho por la misma.

5.2 Relación entre el voltaje de entrada, la frecuencia angular de la cola y su empuje. En el video anexo se puede observar como la velocidad angular de la cola cambia

al variar el voltaje de entrada del motor DC, el cual es el encargado de mover esta.

Como se puede observar al disminuir el voltaje del motor DC la velocidad angular

disminuye, aumentado de esta manera la cantidad de agua desplazada, por

consiguiente el empuje aumenta.

También se puede observar que a medida que se reduce el voltaje se incrementan

lo vórtices hechos por la cola. Es por esto que se escogió un rango de voltaje

entre 1V y 0.7V para tener el mayor empuje posible.

96

5.3 Comunicación

5.3.1 Impermeabilización del sistema de comunicación

Sabiendo que el método de impermeabilización a utilizar es el látex, tanto para el

receptor como el transmisor, se quiso encontrar las perdidas debidas al látex. Esta

prueba consiste en emitir un sonido a través del parlante de membrana, el cual es

una señal sinusoidal a una frecuencia de 1KHz y recibirla en el micrófono electrec.

Se toma como medida la relación que existe entre el voltaje que ingresa al

parlante y la salida del micrófono una vez amplificada, esta relación es llamada

Vo/Vin.

Para el análisis se realizaron varias pruebas sobre la calidad de la señal recibida

por el receptor a diferentes distancias de la fuente. Estas distancias fueron: 0, 10,

20, 30, 40, 50 y 60 cms

• Parlante de membrana y micrófono electrct en el medio aire

La medición de la señal correspondió a la relación entre Vo/Vin. El valor que se

registra en la tabla 4 corresponde al promedio de 4 mediciones realizadas a

distintas distancias por cada una de las pruebas realizadas.

Cada una de las pruebas tenía especificaciones distintas así:

Prueba 1: Parlante y Micrófono con Impermeabilización

Prueba 2 : Parlante sin Impermeabilización y Micrófono con Impermeabilización

Prueba 3: Parlante y Micrófono sin Impermeabilización

Prueba 4: Parlante con Impermeabilización y Micrófono sin Impermeabilización

97

PROMEDIO DE LA SEÑAL MEDIDA A DISTANCIAS

DISTINTAS Y TIPO DE PRUEBAS

DISTANCIA (CMS) Prueba 0 10 20 30 40 50 60

Prueba 1 0,71 0,09 0,05 0,047 0,05 0,037 0,028 Prueba 2 0,61 0,1 0,06 0,06 0,04 0,03 0,04 Prueba 3 1,89 0,16 0,11 0,08 0,07 0,05 0,04 Prueba 4 1,00 0,11 0,06 0,03 0,04 0,04 0,02

Tabla 4. Promedio de la señal medida a distancia distintas y tipo de pruebas.

PROMEDIO DE Vo/Vin MEDIDA A DISTANCIAS DISTINTAS Y TIPO DE PRUEBAS

00,20,40,60,8

11,21,41,61,8

2

0 10 20 30 40 50 60

Distancia (cm)

Vo/V

in

prueba 1 prueba 2 prueba 3 prueba 4

Gráfica 1. Promedio de Vo/Vin medida a distancias distintas y tipo de pruebas.

Para una distancia de 0cm Al analizar el comportamiento de Vo/Vin en la distancia 0 se observa una

diferencia bastante notoria de la prueba 3 frente a las restantes. Con la prueba

número 3 el promedio de la señal alcanza un valor de 1.89 frente a 1.00 de la

prueba 4, 0.71 de la prueba 1 y 0.61 de la prueba 2.

98

PROMEDIO DE Vo/Vin MEDIDA A DISTANCIAS DISTINTAS Y TIPO DE PRUEBAS

00,020,040,060,080,1

0,120,140,160,18

0 10 20 30 40 50 60

Distancia (cm)

Vo/V

in

prueba 1 prueba 2 prueba 3 prueba 4

Gráfica 2. Promedio de Vo/Vin medida a distancias distintas y tipo de pruebas (10-60 cm)

Para una distancia entre 10cm y 60cm El análisis del comportamiento promedio de Vo/Vin a distancias distintas según las

pruebas realizadas, permite evidenciar un comportamiento muy similar

indistintamente del tipo de prueba analizado.

Se observa una tendencia descendente en la señal medida a distancias cada vez

mayor, en todos los tipos de pruebas.

A 10 cms de distancia la señal que registra un valor mayor es la correspondiente a

la prueba 3 con 0.16 seguida de la prueba 4 con 0.11, la prueba 2 con 0.10 y la

prueba 1 con 0.09.

Esta situación es similar a la registrada en las distancias superiores donde el valor

mayor corresponde a la prueba 3 y el menor valor a la prueba 1.

99

A 60 cms de distancia la señal más elevada la registra la prueba 3 con 0.04,

seguido de la prueba 4 con 0.02, la prueba 2 con con 0.01 y la menor fue la

prueba 1 con 0.028.

CONCLUSIONES Luego de realizar distintas mediciones a distancias diferentes y con 4 pruebas

definidas previamente se observa que las mejores señales se relacionan con la

prueba 3, esto es con Parlante y Micrófono sin Impermeabilización. Estos mejores

resultados se destacan a un distancia de 0 cms donde la prueba 3 casi duplica la

señal registrada por la prueba siguiente que fue la número 4.

A partir de los 10 cms. La señal baja drásticamente en todas las pruebas aunque

se mantiene que la señal más fuerte es la registrada con la prueba 3, mientras que

la señal más baja corresponde a la prueba 1.

• Parlante de membrana y micrófono electrct en el medio agua

Se realizó el mismo procedimiento para el parlante de membrana y el

micrófono electrct, pero esta vez la prueba se hizo en el medio agua. Dada las

condiciones de este medio fue necesario impermeabilizar tanto el parlante

como el micrófono con látex. Al igual que en el análisis anterior la medición de

la señal correspondió a la relación entre Vo/Vin. El valor que se registra en la

tabla 5 corresponde al promedio de 4 mediciones realizadas a distintas

distancias.

COMPORTAMIENTO PROMEDIO DE Vo/Vin A DISTANCIAS DISTINTAS EN EL MEDIO AGUA

PRUEBA 10 20 30 40 50 60 PRUEBA

1 0.24 0.098 0,048 0,097 0,078 0,14 Tabla 5. COMPORTAMIENTO PROMEDIO DE Vo/Vin A DISTANCIAS

DISTINTAS EN EL MEDIO AGUA

100

Con relación a la prueba se puede observar un comportamiento correspondiente a

una función de 4er grado a partir de los 10cms, registrando un fuerte descenso en

la medida promedio de los 10 a 20 cms, registrando un aumento leve en los 40 y

60 cms, según se observa en la gráfica siguiente y la tabla anterior.

COMPORTAMIENTO PROMEDIO DE Vo/Vin A DISTANCIAS DISTINTAS EN EL MEDIO AGUA

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 10 20 30 40 50 60 70

Distancia (cm)

Vo/

Vin

Gráfica 3. Comportamiento promedio Vo/Vin a distancias distintas en el medio

agua.

• Comparación entre el medio aire y agua con parlante de membrana y

micrófono electrect

La medición de la eficiencia tanto en agua como en aire permite registrar los

valores más elevados en la distancia 0 para cada una de las pruebas realizadas.

La medición de la eficiencia corresponde a los valores promedios obtenidos en las

4 mediciones realizadas.

A partir de la distancia 0 se observa un drástico descenso en las mediciones

promedio en todas las pruebas realizadas en aire y agua. En el caso del aire los

mejores promedios se reportan con la prueba número 3 a partir de los 10 cms.

Con relación a la eficiencia registrada en las frecuencias audibles con la prueba 3,

donde se aplicó látex tanto al parlante como al micrófono, se observan mejores

101

registros en el agua frente al aire en todas las distancias a partir de los 10 cms sin

embargo a los 30 cms de distancia la eficiencia es igual tanto en agua como en

aire.

En el caso del agua se observa un gran descenso en la eficiencia a partir de los 20

cms, descendiendo al mínimo valor a los 30 cms cuando la eficiencia de la señal

es igual, tanto en agua como en aire. A partir de dicha distancia se observan

mejores registros en la señal en agua, destacándose los de los 40 y 60 cms.

En el caso de la eficiencia en aire, la eficiencia muestra una tendencia

descendente a medida que aumenta la distancia, con valores muy inferiores a los

registrados en agua, con excepción de la distancia 30 cuando la señal reporta en

promedio valores iguales.

Lo anterior se puede observar en la gráfica siguiente:

Comparación entre el medio aire y agua con parlante de membrana y micrófono electrect

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 20 40 60 80

Distancia (cm)

Vo/

Vin

AIREAGUA

Gráfica 4. Comparación entre el medio aire y agua con micrófono electrect y

parlante de membrana.

102

• Parlantes piezoeléctricos

Se realizaron las mismas pruebas anteriormente descritas, pero esta vez

utilizando parlantes piezoeléctricos y combinándolos con parlante de

membrana y micrófono electrect. La medición de la señal correspondió a la

relación entre Vo/Vin. Los valores que se registran corresponden al promedio

de 4 mediciones realizadas a distintas distancias por cada una de las pruebas

realizadas.

Cada una de las pruebas tenía especificaciones distintas así:

Prueba 6: Parlante y Micrófono piezoeléctrico

Prueba 7: Parlante piezoeléctrico y micrófono electrect

Prueba 8: Parlante de membrana y micrófono piezoeléctrico.

Eficiencia piezoeléctrico

-0,010

0,010,020,030,040,050,060,070,08

0 10 20 30 40 50 60 70Distancia (cm)

Vo/V

in

Prueba 6 Prueba 7 Prueba 8

Gráfica 5. Eficiencia parlante piezoeléctrico.

De conformidad con el análisis de la grafica se observa que con la prueba 6 se

obtiene el registro promedio más elevado frente a las pruebas 7 y 8 cuyos valores

desde la distancia de 10 a 60 cms se mantienen muy cerca al valor de 0.

103

Con respecto a la prueba 6 luego de los 10 cms donde registra un valor promedio

cercano a 0.035 cae a 0 hacia los 20 cms.

• Comparación entre parlante de membrana y el parlante piezoeléctrico.

PARLANTE AUDIO vs. PARLANTE PIEZOELECTRICO

00,05

0,10,15

0,20,25

0,3

0 20 40 60 80Distancia (cm)

Vo/V

in

PARLANTEAUDIO

PARLANTEPIEZOELEC

Gráfica 6. Parlante de membrana Vs. Parlante piezoeléctrico.

Del análisis de la gráfica se observa un comportamiento completamente diferente

entre el parlante piezoeléctrico y el parlante de membrana, a distancias diferentes.

La eficiencia promedio del parlante de membrana a una distancia de 10 cms

registra el máximo valor cercano a 0.25 descendiendo posteriormente a un valor

de 0.05 hacia los 30 cms. Luego hacia los 40 cms registra un nuevo aumento

hasta los 0.10 descendiendo nuevamente a los 50 cms y registrando un nuevo

aumento a los 60 cms. En síntesis la eficiencia promedio del parlante registra un

movimiento de cuarto grado.

En contraste el parlante piezoeléctrico muestra un comportamiento lineal en todas

las distancias con un promedio de 0.

104

5.3.2 Rango de frecuencia para el sistema de comunicación. Una vez se decidió que los dispositivos a utilizar en la comunicación eran el

parlante de membrana y y un micrófono electrect se prosiguió a observar el

comportamiento que tenían estos dispositivos en el agua a diferentes frecuencia

para que de esta forma se pudiera obtener las frecuencia que se iban a utilizar en

la transmisión de los datos.

Se realizó un barrido en frecuencia teniendo al receptor a una distancia de 45cm

de la fuente. La señal obtenida en la grafica corresponde al promedio de 4

mediciones realizadas.

Barrido en frecuencia

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Frecuencia (Hz)

Vo/V

in

Gráfica 7. Barrido en frecuenta.

Como se puede observar la grafica presenta un valor máximo a una frecuencia de

1kHz y el siguiente valor máximo se tiene en 600Hz. También se puede ver un

comportamiento creciente entre 50Hz y 600Hz y entre los 850Hz y 1kHz y un

comportamiento decreciente entre los rangos de frecuencia entre 600Hz y 850Hz y

para frecuencias mayores a 1KHz.

105

6. CONCLUSIONES

En este tipo de proyectos, donde el agua juega un papel muy importante, es

fundamental tener una infraestructura adecuada para esto. Desafortunadamente la

universidad no cuenta con este tipo recurso lo que hace un poco mas lento el

desarrollo del proyecto.

El estudio realizado para obtener una comunicación por debajo del agua indica

que este medio posee muchas menos perdidas que un medio como es el aire.

Para realizar un movimiento de inmersión y uno de emersión de forma correcta es

demasiado importante encontrar el punto de equilibrio entre la fuerza de flotación y

el peso. Cualquier peso de mas como puede ser una gota de agua o cualquier

flotador de mas como una burbuja hacen que el sistema cambie completamente,

haciendo que este se hunda por completo o al contrario, que nunca se hunda. Por

esto para futuros proyectos se recomienda utilizar una válvula que se llene de aire

para así obtener el ajuste fino de estas dos fuerzas.

Otro factor muy importante para obtener un movimiento de inmersión y emersión

de forma adecuada es la colocación de los flotadores. Se recomienda poner los

flotadores a los lados, no en el mismo sentido de la masa en movimiento, ya que

estos flotadores sirve de pivote para realizar estos dos movimientos.

El propulsor juega un papel muy importante en este proyecto ya que es él el que

hace la fuerza necesaria para mover a la plataforma dentro del agua. En este

caso el propulsor es la cola, esta no necesariamente debe ser muy potente, sino

que debe generar mucho empuje, es decir, desplazar mucho liquido para poder

desplazarse. Para obtener una cola con un buen empuje es fundamental la forma,

el material en el que se realiza y la forma que esta tiene.

106

La comunicación propuesta en este proyecto abre las fronteras para futuras y

novedosas formas de comunicación marina ya que este estudio rompió con las

creencias que se tenían de las perdidas en este medio.

Este tipo de proyectos submarinos donde la plataforma esta en capacidad de

sumergirse y emerger del agua van a ser de gran utilidad para próximas

exploraciones oceánicas ya que propone una forma distinta a la de los submarinos

para realizar estos movimientos.

107

BIBLIOGRAFÍA [1] ALBA, Cesar; CASTILBLANCO, Rodrigo; Mancera. “Plataforma robot

Subacuatica Propulsada por Aletas Pectorales”. Bogotá D.C., 2004. Trabajo de

grado (Ingeniero Electrónico). Pontificia Universidad Javeriana. Facultad de

Ingeniería. Departamento de Electrónica.

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Plataforma robótica subacuática controlada por un algoritmo genético. Bogotá

108

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Javeriana. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica.

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Robot”, First International Symposium on Aqua Bio-Mechanisms, p.287-292, Aug.

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http://www.mit.edu/afs/athena/org/t/towtank/www/tuna/robotunaII.html

[22] Robopike, http://web.mit.edu/towtank/www/pike/

[23] Robots, http://nereus.mech.ntua.gr/pdf_ps/med03.pdf

[24] SEARS, Francis; ZEMANSKY, Mark; “Fisica”; Ed. Aguilar; 1966.

[25] Servocity, http://www.servocity.com

[26] Servomotores, http://www.creaturoides.com/srvesp.htm

[27] SFAKIOTASKIS, Michael; LANE, David and DAVIES, J. Bruce C. Review of

fish swimming modes for aquatic locomotion. En: IEEE Journal of oceanic

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[28] Sonidos bajo el mar, http://www.cetaceanresearch.com/sounds.html

[29] Sonidos de las ballenas,http://rbcm1.rbcm.gov.bc.ca/programs/whales/pdfs/t-

activities-9.pdf

[30] Vorticity Control Unmanned Undersea Vehicle (VCUUV),

http://www.draper.com/tuna_web/frameset.htm?../title.htm&fishliketit.htm&../nav.ht

m&vcuuv.htm

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kinematics of flapping aquatic flight in the bird wrasse gomphosus varius

110

(Labridae) En: The Journal of experimental Biology 200, 1997. .

ANEXOS

Preparación del yeso.

1. En un recipiente de plástico se vertió agua, proporcional al tamaño del

molde.

2. Luego se añadió yeso al agua, de tal forma que la mezcla adquiriera la

consistencia adecuada, esta depende del tiempo que se quiera de

solidificación.

3. Por último el yeso se vertió en la unión entre el molde de arcilla y la

estructura interna inicial.

Proceso para realizar la estructura en resina poliéster y fibra de vidrio.

1. Se aplican varias capas de alcohol polivinílico al molde de yeso, de tal

forma que se pudiera desmoldar fácilmente sin romper la estructura de

resina poliéster.

2. Se obtuvo la resina preacelerada por medio del siguiente proceso: Se

mezcló la resina poliéster con el catalizador (meck peróxido), el cual sirve

para cambiar de estado liquido a sólido la resina poliéster, la proporción que

se debe aplicar es una gota del catalizador por cada 25 c.c. de resina

poliéster. Luego se aplicó el acelerador (octoato de cobalto), como su

nombre lo indica acelera el proceso de solidificación.

3. Se aplicó una capa de resina poliéster preacelerada a todas las paredes

internas del molde de yeso.

111

4. Se adhirió una capa de fibra de vidrio a la primera capa de resina con mas

resina poliéster preacelerada, la cual hizo que la estructura interna de la

plataforma fuera más rígida y resistente a cualquier golpe.

5. Una vez secas las dos capas anteriores, se aplicó una última capa de

resina poliéster preacelerada, de tal forma que se cubriera la capa de Fibra

de vidrio totalmente.

6. Finalmente, se dejó secar 24 horas a temperatura ambiente para lograr la

rigidez deseada y luego desmoldarla.

Pruebas para la impermeabilización. Las pruebas se realizaron introduciendo papel toilet en cada uno de los espacios

libres dentro de la estructura interna de la plataforma, de tal forma se ubicara los

lugares de ingreso del agua a la estructura. De estas pruebas se obtuvieron los

siguientes resultados:

• El Látex no se adhiere lo suficiente a la Resina Poliéster, además se debían

aplicar muchas capas de Látex líquido, para así lograr el grosor que

cumpliera el objetivo deseado. Con este empaque se filtraba el agua

gracias a que el látex no rellenaba los huecos e imperfecciones del cierre

de la estructura.

• El Caucho para Neumático, aunque bloquea un poco más el paso de agua

que el anterior, no se adhiere lo suficiente al borde de la estructura interna

de la plataforma, por lo tanto dejaba pasar agua al interior de la misma.

• El Caucho Espuma (Fomi) llena en su gran mayoría los espacios entre la

tapa y la caja oponiéndose así al paso del agua, esto se debe que el

material tiene como característica la porosidad.

Fabricación de las colas en los diferentes materiales Caucho Silicona.

112

Para poder fabricar las aletas en caucho silicona, se realizó primero el molde de

cada una de las colas en cera polimérica, el cual se diseño de la siguiente forma:

1. El diseño se realizó en el programa llamado Mastercam®, el cual hace

parte de los programas de computador CAD - CAM para operaciones de

mecanizado, en las que una herramienta con filo de corte, ingresa en la

cera a una determinada velocidad y remueve parte de esta para obtener el

molde de la aleta respectiva. Para poder realizar la cola más fácilmente, se

hizo una división de la cola por la mitad (ver figura 35, figura 36, figura 37 y

figura 38) de tal forma que se pudiera verter el caucho silicona en el molde

de cera y luego unir las dos mitades.

Vista isométrica del molde de la forma 1 Vista isométrica del molde de la forma

2

113

Vista isométrica del molde de la forma 3 Vista isométrica del molde de la forma

4

2. Ya teniendo el molde diseñado en Mastercam®, se genera las líneas de

código en Control Numérico por medio del mismo programa, las cuales se

necesitan para poder mecanizar los moldes en un CNC (Control Numérico

Computarizado), el cual, consta de mecanismos simples de tornillos de bolas

recirculantes que facilitan el desplazamiento sin vibración y reducen

significativamente el desgaste, terminados en servomotores controlados por

un procesador y que mantienen comunicación con el usuario mediante un

tablero de control y con un lenguaje de programación universal: el lenguaje

ISO.

3. Con el código en Control Numérico, se mecanizaron las colas en el CNC,

durante 30 minutos cada una, como se observa en la figura 39 y figura 40.

114

Molde en Cera Polimérica de la

Forma 1

Molde en Cera Polimérica de la

Forma 2

Ya teniendo los moldes en cera de las colas, se mezcló y vertió el Caucho Silicona

en cada molde de la siguiente manera:

1. Se mezcla la silicona con el catalizador, este último debe ser el 5% de la

cantidad de silicona a utilizar. Ambos se deben agitar antes de hacer una

sola mezcla.

2. Luego de mezclar el caucho silicona y el catalizador, se puede verter sobre

cada uno de los moldes, de tal forma que el caucho silicona replique cada

uno de los detalles de las colas.

3. Se debe dejar dentro del molde alrededor de 24 horas a temperatura

ambiente para que el caucho silicona tome la forma deseada.

Este procedimiento se repitió para cada una de las mitades de las colas, y cuando

se tuvo cada una de estas mitades, se pegaron también con Caucho Silicona para

tomar la forma que se muestra en la figura 41, figura 42, figura 43 y figura 44.

115

Forma 1 en Caucho Silicona Forma 2 en Caucho Silicona

Forma 3 en Caucho Silicona Forma 4 en Caucho Silicona

Caucho silicona con lámina de acetato. Estas consisten en una cola de caucho silicona con una lámina de acetato entre

sus dos mitades, para la construcción de la misma se realizó el mismo

procedimiento que con las colas de caucho Silicona, con la diferencia que al pegar

las dos mitades de las colas, se agregó una lámina de acetato entre ellas. El

aspecto definitivo es el mismo que el de las colas de caucho silicona, con la única

diferencia que la aleta que tiene una lámina de acetato es un poco más rígida que

la anterior.

116

Caucho silicona con lámina de zinc. Están compuestas de las dos mitades de las colas de caucho silicona y una

lámina de zinc entre ellas, se realizó el mismo procedimiento, pero con la

diferencia que al pegar las dos mitades, se agrego una lámina de zinc entre ellas,

lo que dio como resultado una cola con mucha más rigidez que sus predecesoras.

Cloruro de Polivinilo (PVC). Para la realización de las colas se debió cambiar el proceso debido a las

propiedades del material, ya que este debe someterse a altas temperaturas para

alcanzar la consistencia deseada. El molde en cera polimérica de las colas se

diseño de la misma forma que el diseño de los moldes que se hicieron para

realizar las colas en caucho silicona, con la única diferencia que el molde de las

colas de caucho silicona se uso la concavidad de la cola, mientras que en las

colas de cloruro de polivinilo se uso el volumen de las mismas, como se observa

en la figuras 45.

Molde en Cera Polimérica para PVC de la Forma 4

Ya teniendo el molde en Cera Polimérica, se hicieron los moldes en Caucho

Silicona de cada una de las mitades de las colas (Ver figura 46, figura 47 y figura

48), debido a que el Cloruro de Polivinilo se debe poner a temperaturas altas

117

(mayor a la temperatura ambiente) para poder ser sólido y por lo tanto no se

puede fundir usando el molde en Cera Polimérica.

Molde en Caucho Silicona

de la Forma 2

Molde en Caucho Silicona de la

Forma 3

Molde en Caucho Silicona de la Forma 4

Adicionalmente se realizó un soporte en Yeso No. 2 para el molde en caucho

silicona y lograr así, fundir las mitades de las colas en un horno, el proceso de

fundir las colas en Cloruro de Polivinilo fue el siguiente:

1. Ya teniendo el molde en Caucho Silicona y el soporte en Yeso, se deben

precalentar en el horno a 400ºC por 15 minutos.

118

2. Luego se debe aplicar una capa de vaselina sobre el molde de Caucho Silicona,

de tal forma que al desmoldar la cola en Cloruro de Polivinilo no se adhiera al

Caucho Silicona.

3. Se aplica la cantidad suficiente de Cloruro de Polivinilo para cubrir todo el molde

completo de Caucho Silicona.

4. Se introduce de nuevo al horno a una temperatura de 300ºC por 15 minutos

para obtener cada una de las mitades de las colas.

5. Por último, se deben pegar cada una de las mitades correspondientes para

obtener las colas deseadas (Ver figura 49, figura 50, figura 51 y figura 52).

Cloruro de Polivinilo Forma 1 Cloruro de Polivinilo Forma 2

Cloruro de Polivinilo Forma 3 Cloruro de Polivinilo Forma 4

119

Fabricación de la aleta pectoral izquierda Se hizo un molde de Yeso No.4 de la Aleta Pectoral Derecha (Ver figura 54), de tal

forma que se pudieran copiar cada uno de los detalles de la misma y poderlos

plasmar en la nueva aleta lateral izquierda.

Molde en Yeso de la Aleta Pectoral Derecha

1. Ya teniendo el molde de la aleta lateral izquierda, se preparó el caucho

silicona a utilizar de la misma forma que el utilizado para las colas.

2. Luego se verte el caucho silicona en el molde de la aleta pectoral izquierda

poniendo dentro de ella una lámina de zinc, la cual ayuda a que la aleta sea

más rígida y de esta manera lograr que al navegar la plataforma robótica no se

incline hacia ninguno de sus lados.

120

5. Finalmente, se retiro el empaque en Látex del Molde en Acrílico, aplicando

talcos de manera que el empaque no perdiera la forma deseada para obtener

el empaque de la Figura 58.

4. Los numerales 2 y 3 se repitieron siete veces por intervalos de una hora, de tal

forma que el empaque tomará el espesor adecuado.

3. Luego se aplica una capa de Cloruro de Calcio para que el Látex adquiera una

contextura rígida con mayor rapidez.

2. Ya teniendo el molde en Acrílico, se aplica una capa de Látex sumergiendo el

molde de acrílico en el Látex.

121

1. Primero se realizó en molde en Acrílico, de las dimensiones necesarias para

albergar la batería, el sensor de presión y el micrófono (Ver figura 57), de tal

forma que se pudieran introducir en el empaque sin ningún problema.

Fabricación empaque en látex

Molde en Acrílico del Empaque de las baterías

Programa LabView Plataforma de pruebas

122

123

124

125

Secuencia 0 En la secuencia 0 del programa, se configura el puerto serial del computador. Aquí

se configura el tamaño del buffer, el puerto del computador que se va a utilizar, la

tasa de transferencia a la cual se van a enviar los datos, el número de bits de los

datos, el bit de parada y por último se configura la paridad de la transmisión.

Luego de configurar el puerto este se abre y con a función read de este programa

se lee lo que se tiene en el buffer, también se cuenta el número de bytes que

fueron recibidos en el buffer.

Secuencia 1 En la secuencia 1, el programa esta dentro de un for el cual se repite el número de

bytes que fueron contados en la secuencia 0 dividido el número de bytes que van

a ser utilizados, es decir, ocho (siete correspondientes a los sensores de empuje y

uno de la velocidad promedio). Dentro de este for se cogen los datos que llegan

del buffer y son divididos en ocho arreglos diferentes.

Secuencia 2 En la secuencia 2, ya teniendo los datos en los arreglos estos son graficados en

un waveform chart el cual tiene una longitud de un byte, es decir, ocho bits. Estas

graficas se pueden observar en la interfaz gráfica de LabView. Para el último dato,

el byte número ocho, el cual corresponde a el de la velocidad promedio, no se

grafica en un waveform chart sino que simplemente es mostrado el dato en

número decimal, este también se puede observar en la interfaz gráfica de

LabView.

Todo el programa se encuentra dentro de un while. Esto indica que solo en el

momento en que el usuario oprime el botón de inicio el cual se encuentra en la

interfaz grafica el programa empieza a correr. Esta variable de inicio en una

variable booleana.

Programa LabView Plataforma robótica

126

127

128

Secuencia 0. En esta secuencia el usuario indica la profundidad y la distancia en las respectivas

casillas las cuales se encuentran ubicadas en la interfaz grafica de LabView.

Luego de tener estos datos, cada uno se divide entre cinco, para codificar los

datos, y luego se convierte el número decimal que se tiene a número binario.

Después de tener el número en binario, este es almacenado en un arreglo.

Secuencia 1 Después de tener los datos en los arreglos estos son escritos en el buffer del

puerto serial por medio de una función write. Aquí se configura el puerto serial

donde se establece el número del puerto que se va a utilizar, el tamaño del buffer,

la tasa de transferencia, el número de bits de los datos, el bit de parada y la

paridad de la transmisión.

Todo el programa se encuentra dentro de un while lo cual indica que solo en el

momento que el usuario ponga a enviar en on los datos van a ser enviados del

computador al microcontrolador 1. Esta variable enviar es booleana y se encuentra

en la interfaz grafica de LabView.

MOTOR DC

129

COMUNICACION Y MICROCONTROLADORES 1 Y 2

130

LASER Y ENCODER

131

PIEZO ELECTRICOS 1

132

PIEZO ELECTRICOS 2

133

134

MICROCONTROLADOR 3

Código en C del Microcontrolador 3 /* ** ################################################################### ** ** Filename : NEMO.C ** ** Project : NEMO ** ** Processor : MC68HC908QY4CP ** ** ** ################################################################### */ /* MODULE NEMO */ /*Librerias*/ #include <MC68HC908QY4.h> #include <hidef.h> /*DECLARACIONES*/ /*FUNCIONES*/ void muestre(void); void ADC (void); void comunicacion (void); void delay (void); void dpeque (void); void frecuencia (void); void decode (void); void guardar (byte); void servo(byte); void presion(void); void motor_dc(void); void acelerometro(void); void control(void); /*DEFINICIONES*/ #define TRUE 1 #define FALSE 0 #define h_actual _ADR %

135

/*Puerto A*/ #define Motor_DC PTA_PTA0 /*Salida, con este pin se maneja la velocidad del motor*/ #define RxD PTA_PTA1 /*Entrada, en este pin ingresa la señal de

audio proveniente del micrófono(ADC)*/

#define Xout PTA_PTA2 /*Entrada, ingresa la inclinación de la plataforma

en el eje X */ #define out PTA_PTA3 %Borrar todo lo que tiene que ver con out% #define VDC PTA_PTA4 %Borrar todo lo que tiene que ver con out% #define Presion PTA_PTA5 /*Entrada, ingresa la presión actual de la

plataforma (ADC)*/ /*Puerto B*/ #define Servo PTB_PTB0 /*Salida, con este pin se maneja la posición del servomotor*/ #define Yout PTB_PTB3 /*Entrada, ingresa la inclinación de la

plataforma en el eje X */

/*DECLARACIONES*/ /*Se declara una estructura para manejar directamente los bits del registro*/ typedef union byte dsp1; struct byte ST0:1; byte ST1:1; byte ST2:1; byte ST3:1; byte ST4:1; byte ST5:1; byte ST6:1; byte ST7:1; Bits; Fun; volatile near Fun union1; #define flags union1.dsp1 #define loop union1.Bits.ST1 #define loop2 union1.Bits.ST2

136

#define ya_bajo union1.Bits.ST3 #define dato union1.Bits.ST4 #define error union1.Bits.ST5 #define preout union1.Bits.ST6 #define finRxD union1.Bits.ST7 static near Fun union2; #define RegTxD union2.dsp1 /*Registro de Recepción*/ #define RegTxD_0 union2.Bits.ST0 static near Fun union3; #define flags1 union3.dsp1 #define ok_RxD union3.Bits.ST0 #define com_f union3.Bits.ST1 #define servo_f union3.Bits.ST2 #define DC_f union3.Bits.ST3 #define subida_f union3.Bits.ST4 #define saturado_f union3.Bits.ST5 #define distancia_f union3.Bits.ST6 #define acelerometro_f union3.Bits.ST7 static near Fun union4; #define ready_f union4.Bits.ST0 #define ton_f union4.Bits.ST1 /*Registro de Datos (0-31)*/ #define Codinicio RegRxD[2] #define Profundidad RegRxD[1] #define Distancia RegRxD[0] static near byte data; static near byte cero1; static near byte cero2; static near int frec; static near byte max; static near byte min; static near byte f1max; static near byte f1min; static near byte f0max; static near byte f0min; volatile near int cont; volatile near int cont2; volatile near int ton;

137

volatile near int toff; volatile near int cont_s; volatile near int cont_dc; volatile near int cont_dist; volatile near int cont_acelerometro; static near byte cont_bit; static near byte RegRxD [3]; static near byte temp; static near byte num_while; static near byte p_actual; static near byte p_final; static near byte p_usuario; static near byte dh; static near byte h_lim; static near byte ciclo_servo; static near byte ciclo_dc; static near byte frec_dc; static near byte frec_s; static near byte adelante; static near byte medio; static near byte atras; static near byte const_1; static near byte const_2; static near byte vel_min; static near byte d_usuario; static near byte p_inicial; static near byte p_media; void main(void) /*INICIALIZACION*/ /*VARIABLES*/ flags=0; flags1=0; cero1=124; cero2=128; max=180; min=35; f0max=39;

138

f0min=30; f1max=26; f1min=16; frec_dc=40; frec_s=40; adelante=37; medio=20; atras=8; h_lim=2; /*PUERTO A*/ DDRA=9; /*Puerto A:0->out MOTOR_DC 1->in RxD 2->in Xout 3->out out 4->in VDC 5->in Presión */ PTA=0; /*Inicializar el puerto A cero*/ /*PUERTO B*/ DDRB=247; /*Puerto B:0->out Servo 1->out 2->out 3->in Yout 4->out 5->out 6->out 7->out Sw_Servo */ PTB=0; /*Inicializar el puerto B en cero*/ /*TIMER*/ TSC=48; /*Reseteo el timer*/ TMOD=160; /*Tiempo de interrupción 50useg*/ TSC=96; /*Dejo el timer en STOP*/ /*ADC*/ ADSCR=31; /*Hace Reset al ADC */ ADICLK=1; /*Configuro el reloj del adc*/ /*Tiempo de inicialización*/

139

delay(); delay(); delay(); EnableInterrupts; /*Se habilitan interrupciones generales*/ CONFIG1=0x01; /*Se deshabilita el Watchdog */ for(;;) /*Loop infinito*/

comunicacion(); if(finRxD)

control();

/*FUNCIONES*/ void control(void) unsigned int i; unsigned int l; i=250; for(i;i>0;i--) TSC=64; servo(adelante); TSC=48; i=6; Servo=FALSE; Motor_DC=TRUE; presion(); p_inicial=p_actual; for(i;i>0;i--) TSC=64; Servo=FALSE;

140

Motor_DC=TRUE; cont=0; while(cont<20000); TSC=48; presion(); p_actual=p_media; i=250; for(i;i>0;i--) TSC=64; servo(medio); TSC=48; Servo=FALSE; Motor_DC=TRUE; presion(); p_actual=p_media; l=1; for(l;l>0;l--) TSC=64; cont2=0; while(cont2<20000) Motor_DC=TRUE; presion(); //if(p_actual>p_media+5) // i=500; for(i;i>0;i--) servo(25); Servo=FALSE; //

141

// else // i=500; for(i;i>0;i--) servo(15); Servo=FALSE; // TSC=48; presion(); if(p_actual<p_inicial+10) dpeque(); presion(); if(p_actual<p_inicial+10) i=500; for(i;i>0;i--) TSC=64; servo(atras); TSC=48; while(p_actual<p_inicial+10) Motor_DC=TRUE; presion(); Motor_DC=FALSE;

142

void servo (byte ciclo_util) Servo=TRUE; // TSC=64; cont=0; while(cont<ciclo_util); Servo=FALSE; cont=0; while(cont<40-ciclo_util); //TSC=48; /*void servo (void) if(cont_s<ciclo_servo) Servo=TRUE; else if(cont_s==frec_s) cont_s=0; else Servo=FALSE; */ /*void motor_dc(void) if(cont_dc<ciclo_dc) Motor_DC=TRUE; else if(cont_dc==frec_dc) cont_dc=0; else

143

Motor_DC=FALSE; */ /*void motor_dc(void) Motor_DC=FALSE; TSC=64; /*Inicio el Timer*/ /* cont=0; while (cont<20); cont=0; while (cont<20); TSC=48; void muestre(void) unsigned char cont_muestre; cont_muestre=8; for(cont_muestre;cont_muestre>0;cont_muestre--) if(RegTxD_0) out=TRUE; else out=FALSE; RegTxD=RegTxD/2; cont=0; TSC=64; /*Inicio el Timer*/ /* while (cont<2); TSC=48; /*Apago el Timer*/ /* */ /*ADC: En esta función se toma la muestra del pin de RxD y la guarda en el data */

144

void ADC (void) asm MOV #1,_ADSCR; ciclo:

BRCLR 7,_ADSCR,ciclo; /*Espera hasta que el dato sea

válido*/ MOV _ADR,data; MOV #31,_ADSCR; /*FRECUENCIA: Esta función calcula el valor de frecuencia que esta siendo recibida por el micrófono*/ void frecuencia(void)

/*Inicialización de Variables*/ unsigned char ref1=cero2; unsigned char ref2=0; subida_f=FALSE; saturado_f=FALSE; cont=0; frec=0; loop=TRUE; loop2=TRUE; while(loop)

/*Solo sale de este loop luego de calcular la frecuencia que se esta recibiendo*/

ADC(); /*En esta función se toma la muestra del pin de RxD y se guarda en el data*/

if(!(cero1<=data && data<=cero2)) /*Entra al proceso de adquisición de frecuencia si la señal de entrada

145

supera el umbral de ruido, de lo contrario sigue haciendo poling */

/*Proceso de adquisición de frecuencia*/

while(loop2)

ADC(); /*En esta función se toma la muestra del pin de RxD y se guarda en data*/

ref1=data; /*Se guarda el valor acutal de RxD en ref1*/ dpeque();

ADC(); /*En esta función se toma la muestra del pin de RxD y se guarda en data*/

ref2=data; /*Se guarda el valor acutal de RxD en ref2*/

if((ref2>ref1+2)||(ref1>max)) /*Se pregunta si la pendiente de la señal es positiva o si se encuentra saturada en la parte alta */

/*Pendiente Positiva*/

subida_f=TRUE; /*Esta bandera indica si se

tiene una pendiente positiva*/

if(ref1>max) /*Ingresa si la señal se

encuentra saturada*/ /*Esta bandera indica que la

señal esta saturada*/

saturado_f=TRUE;

146

min=ref1; /*Se guarda ref1 en el valor bajo de saturación*/

/*Ingresa al proceso de pendiente negativa si ya se detectó una

pendiente de subida y si la pendiente es negativa o si la señal

tiene un nivel de saturación bajo*/

else if (subida_f && ((ref2<ref1-1)||ref1<min-5))

/*Pendiente Negativa*/

/*Valida la pendiente negativa si la señal no estaba saturada o si estaba saturada que estuviera menor al nivel bajo de saturación */

if((!saturado_f)||(ref1<min-5)) min=0;

if(cont==0) /*Inicializa el contador que indica el periodo de la señal*/

TSC=64; else

/*Guarda el valor del contador en el registro

frec, el cual indica el periodo de la señal,

para luego salirse de la función*/ frec=cont;

147

TSC=48; loop=FALSE; loop2=FALSE; subida_f=FALSE; /*GUARDAR: Guarda datos en el registro de recepción*/ void guardar (byte temp) if(dato) RegRxD[temp]=RegRxD[temp]+32; RegRxD[temp]=RegRxD[temp]/2; /*DECODE: Esta función valida la frecuencia recibida, si esta no es válida prende una bandera de error*/ void decode (void) dato=FALSE; error=FALSE; if(frec>=f0min && frec<=f0max) /*Rango de frecuencias para un cero*/

148

dato=FALSE; else if(frec>=f1min && frec<=f1max) /*Rango de frecuencias para un uno*/ dato=TRUE; else /*Si la frecuencia no se encuentra en los rangos anteriores se prende

la bandera de error*/

error=TRUE; /*DELAY: Esta función permite tener un delay*/ void delay (void) unsigned int contdelay; contdelay=65350; for(contdelay;contdelay>0;contdelay--) /*DPEQUE: Esta función permite tener un delay*/ void dpeque (void) unsigned char contdelay; contdelay=2; for(contdelay;contdelay>0;contdelay--)

149

/*COMUNICACIÓN: Realiza la recepción de los datos*/ void comunicacion(void)

com_f=TRUE; /*Se prende la bandera que indica el incremento del contador utilizado en esta función por interrupciones*/

finRxD=0; while(!finRxD) /*Permanece en este loop hasta que la comunicación

haya sido exitosa*/

frecuencia(); /*En esta función calcula el valor de frecuencia que esta siendo recibido por el micrófono*/

decode(); /*Valida la frecuencia recibida*/ if (!error) /*Ingresa al proceso de recepción si la frecuencia

recibida no tiene error*/ /*Proceso de Recepción*/

cont=0; /*Se inicializa el contador */ TSC=64; /*Inicio el Timer*/ while (cont<10000); /*Se espera un tiempo de la mitad del

periodo (500 us) para así poder detectar

datos validos*/ TSC=48; /*Apago el Timer*/ error=TRUE; /*Esta bandera indica si hay error en la

frecuencia recibida*/ num_while=0; /*Este byte indica cuantas veces se repite

el proceso de recepción*/

150

while(error) /*Se mantiene en este loop hasta que la

frecuencia recibida sea válida*/

frecuencia(); /*En esta función calcula el valor de frecuencia que esta siendo recibido por el micrófono*/

decode(); /*Valida la frecuencia recibida*/ num_while++; if(num_while>10) /*Luego de repetir 10 veces el

proceso de adquisición y validación de la

frecuencia se cancela totalmente la recepción */

return; guardar(2); /*Guarda el dato recibido en el registro de recepción*/ if (!error) /*Ingresa si la frecuencia recibida es válida*/ cont_bit=14; /*Este contador se utiliza para enumerar

los bits restantes de la trama enviada*/

for(cont_bit;cont_bit>0;cont_bit--)

/*En este ciclo se reciben y guardan los bits de la trama enviada*/

/*Inicio el Timer*/ cont=0; TSC=64; while (cont<20000); /*Se espera un periodo para

151

muestrear los datos de llegada*/

TSC=48; /*Apago el Timer*/ error=TRUE; num_while=0; while(error)

/*Este loop se utiliza para repetir el proceso de adquisición y validación de frecuencia en caso de que esta no sea válida*/

frecuencia(); /*En esta función calcula el

valor de frecuencia que esta siendo

recibido por el micrófono*/

decode(); /*Valida la frecuencia recibida*/ num_while++; if(num_while>10) /*Si luego de repetir 10 veces el proceso de

adquisición y validación de frecuencia, esta no es

válida se cancela el proceso de recepción*/

return; /*Se guardan los bits decodificados en el registro de

recepción*/

if(cont_bit<=14 && cont_bit>=11)

152

guardar(2); /*Lo guarda en distancia*/ else if(cont_bit<=10 && cont_bit>=6) guardar(1); /*Lo guarda en profundidad*/ else if(cont_bit<=5 && cont_bit>=1) guardar(0); /*Lo guarda en codigoinicio*/ /*Inicio el Timer*/ cont=0; TSC=64; while (cont<20000); /*Se espera un segundo para así

darle tiempo a que termine la emisión de sonido */

TSC=48;

finRxD=FALSE; If(Codinicio == 21) /*Valida el Código de Inicio*/ finRxD=TRUE; /*Esta bandera indica que la transmición

fue exitosa*/ /*void acelerometro(void) if(!Yout)

153

if((ton_f)&&(cont_acelerometro=0)) ton=cont_acelerometro; ton_f=FALSE; ready_f=TRUE; else ton_f=TRUE; else if(ton_f) cont_acelerometro++; /*while(!Yout); while(Yout); while(!Yout); ton=cont; cont=0; while(Yout); toff=cont; cont=0; TSC=48; if(toff-10<=ton && ton<=toff+10) out=FALSE; cont=0; while(cont<20000); TSC=48;*/ // /*PRESION: En esta función se toma la muestra del pin de Presion y la guarda en

p_actual */ void presion(void) asm

154

MOV #3,_ADSCR; ciclo_1: /*Toma el dato hasta que este sea válido*/ BRCLR 7,_ADSCR,ciclo_1; MOV _ADR,p_actual; MOV #31,_ADSCR; /*INTERRUPCIONES*/ interrupt 6 void timer_overflow(void) TSC_TOF=0; /* aqui bajo la bandera de overflow */ cont++; cont2++; __RESET_WATCHDOG(); /* END NEMO */ /* ** ################################################################### ** ** ** FIN DE PROGRAMA ** ** ################################################################### */

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