Manual de la TCS

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Capítulo 1
Tarjeta de control de sensores (TCS) __________________________ 3
1
Introducción ___________________________________________________ 3
2
Arquitectura de la TCS __________________________________________ 4
Capítulo 2
1
Sensores ________________________________________________ 12
El medidor ultrasónico SRF04 de DEVANTECH Ltd. ________________ 12
1.1 Descripción y Funcionamiento ____________________________________ 12
1.2 Características Técnicas _________________________________________ 13
1.3 Conexionado del sensor _________________________________________ 14
1.4 Integración del sensor en LEGO___________________________________ 16
2
Sensores Digitales ______________________________________________ 17
2.1 Sensor de contacto tipo pulsador __________________________________ 17
2.1.1 Descripción y Funcionamiento ________________________________ 17
2.1.2 Conexionado del sensor ______________________________________ 18
2.1.3 Integración del sensor en LEGO _______________________________ 19
2.2 Bumper ______________________________________________________ 20
2.2.1 Descripción y Funcionamiento ________________________________ 20
3
Sensores analógicos_____________________________________________ 21
3.1 Sensor de medida de distancia por infrarrojos SHARP GP2D12 __________ 21
3.1.1 Descripción y Funcionamiento ________________________________ 21
3.1.2 Características Técnicas______________________________________ 23
3.1.3 Conexionado del sensor ______________________________________ 24
3.2 Otros sensores de medida de distancia por infrarrojos SHARP GP2Dxx ___ 25
3.2.1 Funcionamiento ____________________________________________ 25
3.3 Sensor de iluminación LDR ______________________________________ 26
3.3.1 Descripción y funcionamiento _________________________________ 26
3.4 Sensor de temperatura LM35 _____________________________________ 27
3.4.1 Descripción y funcionamiento _________________________________ 27
3.5 Sensor de color CNY70 _________________________________________ 28
3.5.1 Descripción y funcionamiento _________________________________ 28
4
Encoder incremental ___________________________________________ 29
Capítulo 3
Actuadores ______________________________________________ 32
1
Motor de corriente continua _____________________________________ 32
2
Servomotor ___________________________________________________ 33
Capítulo 1 TARJETA DE CONTROL DE
SENSORES
(TCS)
1 Introducción
La TCS es una plataforma electrónica para el control de robots móviles autónomos que
incorpora las siguientes características (Figura 1-1): capacidad de comunicación con una
PDA por puerto serie (protocolo RS-232) y por radiofrecuencia (código Manchester),
así como comunicación por infrarrojos (protocolo IRDA) a través de la PDA conectada
al puerto serie, capacidad para integrar sensores analógicos, encoders, sensores
digitales, ultrasonidos, control de motores y servomecanismos (mediante PWM). La
plataforma además tiene la flexibilidad suficiente para poder integrar un número
variable de cada familia de sensores, y dentro de cada familia diferentes tipos de
sensores, de modo que el usuario puede adaptar la plataforma a las necesidades reales
de su robot.
IRDA
PDA + OTROS
DISPOSITIVOS
RS-232
PDA
SENSORES
ANALÓGICOS
ULTRASONIDOS
RF
(MANCHESTER)
CIRCUITO IMPRESO
PWM
SENSORES
DIGITALES
ARQUITECTURA
PLATAFORMA
CONTROL
PWM
ENCODERS
MOTORES
SERVOS
Figura 1-1: Plataforma de control
PDA + OTROS
DISPOSITIVOS
Además, al traspasar el sistema de control y navegación del robot a la PDA, se permite
una mayor versatilidad en la programación de comportamientos dado que será posible la
utilización de lenguajes de más alto nivel. De este modo se tiene una plataforma para el
control de robots móviles autónomos que permite un grado de configuración y
personalización hacia el usuario muy superior a las existentes en el mercado, ofreciendo
una gran versatilidad debido a la facilidad de programar comportamientos en lenguajes
de alto nivel y con una flexibilidad que da la opción incluso de escoger el modo de
control del robot (local a través del puerto serie o remoto mediante enlace de
radiofrecuencia).
En definitiva, la TCS es una plataforma rápida, flexible, versátil y barata (si
consideramos que el usuario ya dispone de la PDA, la plataforma obtendría
posiblemente la mejor relación calidad/precio del mercado) que permite el control local
y/o remoto de robots móviles autónomos, y ofrece capacidades reales de comunicación
con otros dispositivos a través de los protocolos más extendidos en el mercado (RS-232,
IRDA,…) y posibilidades de expansión casi ilimitadas (a través de la PDA se puede
tener acceso a otras tecnologías como GPS, Internet,…). Una plataforma sencilla de
utilizar que permite un uso tanto académico como profesional, que brinda al usuario la
posibilidad de programar cualquier tipo de comportamiento, de modo que sea posible su
utilización para la construcción de robots móviles con las más diversas aplicaciones (por
ejemplo, competiciones en certámenes, trazado de planos de edificios, servicios de
vigilancia, ayuda a discapacitados, control de electrodomésticos,…).
Es una plataforma capaz de ofrecer resultados profesionales sin necesidad de
complicados conocimientos previos de hardware y en un tiempo muy reducido.
2 Arquitectura de la TCS
La plataforma se basa en dos microcontroladores, los cuales controlan los diferentes
módulos de los que consta la tarjeta. En este caso se trata del modelo PIC16F876, de
MICROCHIP. Los módulos se distribuyen en los dos microcontroladores como se
muestra en la Figura 1-2.
S ENSORES
D IGITALES
SENSORES
ANALÓGICOS
S ENSORES
ANALÓGICOS
S ERVOS
MOTORES
MÓDULO DE RF
PIC 16F876
PIC 16F876
PIC1
PIC2
SENSORES DE
ULTRASONIDOS
ENCODER 2
E NCODER 1
PDA
Figura 1-2: Esquema conexión la TCS
Ninguno de los dos microcontroladores manda sobre el otro. La PDA, a través de su
puerto serie, se puede comunicar con los dos (primero con uno y luego con otro). En el
caso del módulo de radiofrecuencia, el cual se encuentra situado en el primer PIC, sólo
puede establecer comunicación con dicho microcontrolador. Por lo que el programa de
control, en caso de establecer comunicación a través de la radiofrecuencia, estaría
limitado a los módulos que se encuentran en el PIC 1 (en futuras versiones se
solucionará comunicando los dos microcontroladores a través del bus I2 C).
El funcionamiento de cada uno de estos módulos se resume en los siguientes puntos:
?? Módulo de RF:
o Se encuentra en el PIC 1. Funciona en modo continuo, recibiendo
órdenes y respondiendo a las mismas.
o Sólo puede relacionarse con los módulos con los que comparte
microcontrolador.
?? PDA:
o Al no estar presente el módulo de RF, la PDA, a través de la
comunicación serie, queda como único medio por el que recibir las
órdenes.
o Ambos PIC se comunican
con
ésta,
recibiendo
y
enviando
continuamente información.
?? Entradas analógicas:
o Las conversiones analógicas-digitales se realizan, también, de modo
continuo.
o
Se utilizarán las entradas situadas en ambos microcontroladores.
?? Motores:
o El módulo de motores se encuentra funcionando en el primer PIC.
o
Los parámetros de configuración son establecidos desde el programa de
control.
?? Encoders:
o Cada encoder se encuentra en un microcontrolador, realizándose las dos
cuentas de forma continua.
?? Sensores digitales:
o También se encuentran en ambos microcontroladores, detectando los
cambios que se puedan producir en los sensores.
o Una vez detectado un cambio en cualquiera de los dos PICs, estos son
enviados al programa de control.
?? Servomecanismos:
o Se encuentran situados en el segundo PIC, funcionando según las
órdenes recibidas.
o En este caso los parámetros de control sólo pueden proceder de la PDA
?? Sensores de ultrasonidos:
o Las medidas de ultrasonidos son realizadas por el segundo PIC.
o El PIC, una vez que recibe la orden, realiza las medidas, las almacena,
para después devolver la respuesta a la PDA (sin ser posible enviarla por
el módulo de radiofrecuencia al encontrarse este en el primer PIC).
3 Conexiones de la TCS
En esta sección se explican las diferentes conexiones que tiene la TCS con el exterior.
Para explicar las conexiones se usan esquemas equivalentes de la tarjeta; por ejemplo en
la Figura 1-3 se muestra una fotografía de la TCS y en la Figura 1-4 se muestra uno de
estos esquemas utilizados.
Figura 1-3: Fotografía de la TCS
Uno de los aspectos más importantes en cualquier tarjeta es conocer las señales de +5V
y las de referencia, con el objetivo de poder alimentar dispositivos externos a la misma
y para no equivocarse en ninguna conexión que pudiera acarrear desperfectos. En la
Figura 1-4 y Figura 1-5 se muestran las conexiones de +5V y referencia
respectivamente.
Figura 1-4: Conexiones de +5V de la TCS
Figura 1-5: Conexiones de referencia de la TCS
La TCS tiene varias conexiones para poder conectar los diferentes sensores y actuadores
que soporta. En la Figura 1-6 se muestran estos conectores, además de los de conexión
con la PDA y la fuente de alimentación.
ANALOGICOS
DIGITALES
ANALOGICOS
o ULTRAS
DIGITALES
o ULTRAS
ULTRAS
ENCODERS
SERVOS
MOTORES
+9V
PDA
Figura 1-6: Conexiones de la TCS con sensores, actuadores, PDA y alimentación
Como se puede apreciar en la Figura 1-6 existen conectores que se pueden utilizar para
varios tipos de sensores. Para que la tarjeta pueda saber lo que hay que conectar en cada
uno de ellos, es necesario configurarla, ya se verá cómo. Las diferentes posibles
configuraciones se muestran en las siguientes figuras:
o Para conectar 7 u 8 sensores de ultrasonidos, ver Figura 1-7. En esta
configuración se pierden 5 sensores analógicos y 4 digitales.
o Para conectar 5 o 6 sensores de ultrasonidos, ver Figura 1-8. En esta
configuración se pierden 4 sensores digitales.
o Para conectar hasta 4 sensores de ultrasonidos, ver Figura 1-9.
DIGITAL1
DIGITAL2
DIGITAL3
ANA0
ANA1
ANA2
ANA3
ANA4
DIGITAL0
ULTRAS7 ULTRAS6
ULTRAS5 ULTRAS4
T R T R
T R T R
T R
ULTRAS3
ULTRAS2
ULTRAS1
ULTRAS0
ENCODER1
ENCODER2
SERVO1
SERVO2
MOTOR1
MOTOR0
ANA5
ANA6
ANA7
ANA8
ANA9
DIGITAL0
DIGITAL1
DIGITAL2
DIGITAL3
ANA0
ANA1
ANA2
ANA3
ANA4
Figura 1-7: Configuración de la TCS para funcionar con 8 sensores de ultrasonidos
ULTRAS5 ULTRAS4
T R T R
T R
ULTRAS3
ULTRAS2
ULTRAS1
ULTRAS0
ENCODER1
ENCODER2
SERVO1
SERVO2
MOTOR1
MOTOR0
Figura 1-8: Configuración de la TCS para funcionar con 6 sensores de ultrasonidos
DIGITAL4
DIGITAL5
DIGITAL6
DIGITAL7
ANA5
ANA6
ANA7
ANA8
ANA9
DIGITAL0
DIGITAL1
DIGITAL2
DIGITAL3
ANA0
ANA1
ANA2
ANA3
ANA4
T R
ULTRAS3
ULTRAS2
ULTRAS1
ULTRAS0
ENCODER1
ENCODER2
SERVO1
SERVO2
MOTOR1
MOTOR0
Figura 1-9: Configuración de la TCS para funcionar con 4 sensores de ultrasonidos
Capítulo 2 SENSORES
A continuación se describen los sensores de los que se dispone en el laboratorio.
1 El medidor ultrasónico SRF04 de DEVANTECH Ltd.
A continuación se detallan las características técnicas del medidor ultrasónico modelo
SRF04 de DEVANTECH Ltd., su funcionamiento y conexionado, y por último el
trabajo desarrollado para su integración en piezas de LEGO para su posterior
ensamblado en el robot.
1.1 Descripción y Funcionamiento
El módulo SRF04 consiste en un medidor ultrasónico de distancias de bajo costo
desarrollado por la firma DEVANTECH Ltd. [1] Emplea un microcontrolador
PIC12C508 que realiza las funciones de control y dos cápsulas ultrasónicas de 40 KHz.
Se muestra en la Figura 2-2.
El rango de medidas es desde unos 3 cm hasta unos 3 m aproximadamente. Medidas por
debajo de los 3 cm provocan una serie de errores derivados del acoplamiento entre las
propias cápsulas emisor-receptor del módulo. En este caso es muy difícil distinguir si la
señal recibida es consecuencia de dicho acoplamiento o del eco recibido. Tal y como se
muestra en el diagrama de tiempos de la Figura 2-1, el modo de empleo es muy sencillo:
Figura 2-1: Diagrama de tiempos del SRF04
Figura 2-2: Sensor SRF04
Externamente se aplica, por parte del usuario, un pulso de disparo o trigger. Se inicia la
secuencia. El módulo transmite un tren de pulsos o “burst” de 8 ciclos a 40 KHz. En ese
momento la señal de salida ECO pasa a nivel ‘1’. Cuando la cápsula receptora recibe la
señal transmitida como consecuencia de haber rebotado en un objeto (eco), esta salida
pasa de nuevo a nivel ‘0’. El usuario debe medir la duración del pulso de esta señal, es
decir, el tiempo en que la señal eco se mantiene a ‘1’. Con objeto de que el módulo se
estabilice, se debe dejar un lapsus de tiempo mínimo de unos 10 ms. entre el momento
en que la señal de eco pasa a ‘0’ y un nuevo pulso de disparo que inicie el siguiente
ciclo o medida. La duración del pulso eco de salida varía entre 100 µs. y 18 ms., en
función de la distancia entre las cápsulas del módulo y el objeto. La velocidad del
sonido es de 29.15 µs./cm. que, como realiza un recorrido de ida y vuelta, queda
establecida en 58.30 µs./cm. Así pues el rango mínimo que se puede medir es de 1.7 cm.
(100 µs. / 58.3 µs./cm) y el máximo de 310 cm. (18 ms. / 58.3 µs./cm).
1.2 Características Técnicas
En la Tabla 2-1 se resumen las características técnicas del medidor ultrasónico:
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Dimensiones del circuito
43 x 20 x 17
mm
Tensión de Alimentación
5
V (corriente continua)
Frecuencia de Trabajo
40
KHz
Rango Máximo
3
m
Rango Mínimo
3
cm
10
µs
100 – 18000
µs
Duración mínima del Pulso
de Disparo (nivel TTL)
Duración del pulso Eco de
Salida (nivel TTL)
Salida (nivel TTL)
Tiempo Mínimo de Espera
10
entre una Medida y la
ms
Siguiente
Tabla 2-1: Características Técnicas del SRF04
1.3 Conexionado del sensor
El módulo emplea tan sólo 4 conexiones que se pueden realizar soldando directamente 4
cables o bien mediante un conector de 5 vías. Estas se muestran en la Figura 2-3 y la
Figura 2-4.
Figura 2-3: Esquema de conexionado del SRF04. Vista parte posterior
GND
Disparo
ECO
+5V
Figura 2-4: Esquema de conexionado del SRF04. Vista parte anterior
Para conectar el sensor a la TCS, se necesita la tarjeta que se muestra en la Figura 2-5.
Figura 2-5: Tarjeta de conexión del sensor SRF04 con la TCS
Esta tarjeta consta de:
1) Conector de 5 pines, situado en la cara anterior de la plaquita. Conecta con el
sensor. Sólo se puede conectar de una manera.
2) Conector de 2 pines, situado en la cara posterior de la plaquita en la zona más
ancha. Conecta con la TCS . ¡Ojo!!! aunque se puede conectar de dos maneras
sólo una es la correcta, ver Figura 2-6.
3) Dos conectores de 2 pines cada uno, situados en la cara posterior de la plaquita
en la zona más estrecha. Conecta con la alimentación del robot. ¡Ojo!!! aunque
se puede conectar de dos maneras sólo una es la correcta, ver Figura 2-6.
Teniendo en cuenta que lo usual es utilizar varios sensores de ultrasonidos en el
mismo robot, se decidió elaborar un ‘cinturón de alimentación’ de modo que
todos los sensores se alimentasen entre sí con sólo conectar uno de ellos a la
alimentación de la TCS.
Figura 2-6: Conexión de los sensores a la TCS
1.4 Integración del sensor en LEGO
El sensor ha sido integrado totalmente en piezas LEGO para su posterior ensamblado en
el robot, de modo que los sensores queden constituidos como una parte más de la
estructura del robot.
El resultado final se puede ver en la Figura 2-7 y Figura 2-8, en la que el sensor queda
totalmente integrado entre 3 Technic Brick 1 x 6, uno de ellos (el inferior) con agujeros
para facilitar su posterior montaje ofreciendo mayores posibilidades de ensamblaje.
Figura 2-7: SRF04 integrado en LEGO
Figura 2-8: SRF04 y piezas de LEGO por separado
2 Sensores Digitales
Las entradas digitales de la TCS pretenden detectar cambios en diferentes entradas de
tipo digital. La variedad de sensores que se pueden utilizar es casi tan extensa como la
posibilidad de funcionalidades que se pueden integrar en el robot a partir de estos
dispositivos, e incluye sensores de proximidad, de contacto, de temperatura, de
luminosidad, de presencia, etc. En esta sección se ha considerado que la aplicación más
interesante dentro de la plataforma de control del robot sería la implementación de un
sistema de sensores de detección de contacto que detecten posibles colisiones del robot
con obstáculos del entorno. Con este objeto se han utilizado unos pequeños pulsadores
de tipo botón a los que se les dedica los siguientes apartados.
2.1 Sensor de contacto tipo pulsador
A continuación se detalla el funcionamiento y conexionado de un sensor de contacto
tipo pulsador, así como el trabajo desarrollado para su integración en piezas de LEGO
para su posterior ensamblado en el robot.
2.1.1 Descripción y Funcionamiento
En el laboratorio se van a utilizar sensores de contacto comunes de tipo pulsador (ver
Figura 2-9), que constan de un botón y un interruptor interno (ver Figura 2-10). Al ser
presionados por un pequeño mecanismo en LEGO específicamente diseñado con el fin
de detectar colisiones frontales del robot, cierran el interruptor que une el pequeño
circuito eléctrico que cone xiona sus bornes accesibles, cortocircuitándolos.
Figura 2-9: Sensor de contacto tipo pulsador
Figura 2-10: Esquema interno del pulsador
2.1.2 Conexionado del sensor
El conexionado de este sensor es muy simple, dado que al tratarse a efectos prácticos de
un simple interruptor no es necesario tener en cuenta polarización de la salida. El sensor
proporciona acceso a dos pequeños bornes que, como se ha mencionado con
anterioridad, están conectadas internamente a un pequeño interruptor que se acciona al
pulsar el botón. Así pues, lo único que hay que hacer es llevar un cable desde el sensor
hasta las entradas digitales de la TCS, ver Figura 2-11.
Figura 2-11: Conexionado de los sensores de contacto con la TCS
2.1.3 Integración del sensor en LEGO
La integración en LEGO de estos sensores lleva asociada dos fases bien diferenciadas:
en primer lugar, la integración propiamente dicha del sensor en una pieza de LEGO y,
en segundo lugar, el diseño y montaje de un pequeño mecanismo que accione el
pulsador en el caso de colisión frontal del robot.
La primera fase es relativamente sencilla y consiste en taladrar y adaptar un Technic
Brick 1 x 2 o un Technic Brick 2 x 4 para que sea capaz de albergar al sensor,
quedándose fuera del mismo el botón del pulsador (ver Figura 2-12).
Figura 2-12: Integración del pulsador en LEGO
La siguiente fase es algo más complicada y consiste en el montaje de un pequeño
mecanismo (ver Figura 2-13) que absorba el impacto que se produciría en un choque
frontal del robot (desde cualquier ángulo) y lo transmita al botón del pulsador, de modo
que al impactar automáticamente el sensor cierre el circuito al que sea conectado.
Figura 2-13: Mecanismo de accionamiento de los pulsadores
El funcionamiento de este mecanismo se basa en el efecto palanca: el mecanismo consta
de dos piezas alargadas A y B unidas rígidamente (pero permitiendo el giro) por uno de
sus extremos al centro de la parte delantera del robot C (ver Figura 2-14). Estas piezas a
su vez están apoyadas sobre los botones de los pulsadores de los sensores, de modo que
al producirse el impacto las piezas tenderán a girar accionando los pulsadores. Para
poder absorber los impactos que se pudiesen producir justo en el centro de la parte
delantera del robot, las piezas A y B están unidas por una pequeña pieza D que puede
desplazarse y girar una pequeña distancia produciendo a su vez el mismo efecto de giro
en las piezas A y B que si de un impacto más lateral se tratase. De este modo, ante
cualquier tipo de impacto frontal se accionará al menos uno de los pulsadores.
Digit
Digit
C
Puls
Puls
D
A
B
Figura 2-14: Funcionamiento del mecanismo de detección de choques frontales
2.2 Bumper
2.2.1 Descripción y Funcionamiento
El bumper, ver Figura 2-15, es un conmutador de 2 posiciones con muelle de retorno a
la posición de reposo y con una palanca de accionamiento de diferente longitud, según
el modelo elegido.
Figura 2-15: Bumper
En estado de reposo la patita común (C) y la de reposo (R) están en contacto
permanente hasta que la presión aplicada a la palanca del bumper hace saltar la pequeña
pletina acerada interior y entonces el contacto pasa de la posición de reposo a la de
activo (A), produciendo un leve sonido al cambiar de estado, hacia el final del recorrido
de la palanca.
3 Sensores analógicos
La TCS tiene un gran número de entradas que permiten conectar sensores analógicos.
Los valores analógicos de las señales de entrada son convertidos a valores digitales a
través de un convertidor analógico digital (A/D) que los microcontroladores de la TCS
poseen. La variedad de sensores que se pueden utilizar es muy extensa: sensores de
distancia, luminosidad, temperatura, etc. En esta sección se ha considerado que la
aplicación más interesante dentro de la plataforma de control del robot es la
implementación de un sistema de sensores de medició n de distancia que detecten la
presencia de obstáculos en una dirección determinada. Con este objeto se han utilizado
sensores GP2D12 de SHARP y a ellos se les dedica los siguientes apartados
3.1 Sensor de medida de distancia por infrarrojos SHARP GP2D12
A continuación se detalla el funcionamiento y conexionado de un sensor de infrarrojos
para medida de distancia, así como el trabajo desarrollado para su integración en piezas
de LEGO para su posterior ensamblado en el robot.
3.1.1 Descripción y Funcionamiento
El dispositivo emite luz infrarroja por medio de un LED emisor de IR, esta luz pasa a
través de una lente que concentra los rayos de luz formando un único rayo lo más
concentrado posible para así mejorar la directividad del sensor. La trayectoria de la luz
describe una línea recta hacia delante y que rebota cuando encuentra un obstáculo
reflectante, retornando con cierto ángulo de inclinación dependiendo de la distancia. La
luz que retorna es concentrada por otra lente y, de este modo, todos los rayos de luz
inciden en un único punto del sensor de luz infrarroja, ubicado en la parte receptora del
dispositivo. Este sensor es un CCD lineal y, dependiendo del ángulo de recepción, la luz
incidirá en un punto u otro del sensor pudiendo de esta manera obtener un valor lineal y
proporcional al ángulo de recepción del haz de luz.
Figura 2-16: Medida de distancia del sensor GP2D12
El detector GP2D12 toma medidas continuamente cuando está conectado. El sensor da
una medida de tensión analógica, que se corresponde con la distancia medida. Este valor
es actualizado aproximadamente cada 32 ms. Un problema de estos sensores es que
dicha respuesta no es lineal. En otras palabras, un gran cambio en el valor del voltaje de
salida no quiere decir un gran cambio en la distancia medida. Además, para tener los
datos de salida en unidades de medida normales, es necesario encontrar una función de
conversión. La curva de tensión de salida en función de la distancia medida se puede
observar en la Figura 2-17.
Curva de respuesta
3,00
Tensión de salida (V)
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
0
20
40
60
80
100
Distancia real (cm)
Figura 2-17: Curva experimental de respuesta del GP2D12
En la Figura 2-18 se muestran una gráfica que relaciona la distancia medida con el valor
que el microcontrolador deduce en la conversión A/D (donde +5V se corresponde con el
número 255 y 0V se corresponde con el número 0 de la conversión A/D). Esta medida
es la que se mandaría a la PDA o por radio.
Resultados de conversión
90
80
Distancia (cm)
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
Salida del conversor A/D
Figura 2-18: Resultados de la conversión A/D
3.1.2 Características Técnicas
En la Tabla 2-2 se muestran las características más importantes del sensor GP2D12.
PARÁMETRO
VALOR
UNIDAD
Tensión de Alimentación
5
V (corriente continua)
Consumo
33
mA
Rango Máximo
80
cm
Rango Mínimo
10
cm
Tiempo entre medidas
32
ms
Tabla 2-2: Características Técnicas del GP2D12
3.1.3 Conexionado del sensor
El sensor tiene tres pines para conectarse, ver Figura 2-19. Un pin es la alimentación
(5V), otro es la referencia (GND) y por último un pin (Vo) cuya tensión es función de la
5V
GND
Vo
distancia medida por el sensor tal y como se comentó en la sección anterior.
Figura 2-19: Sensor de infrarrojos SHARP GP2D12
La conexión con la TCS se muestra en la Figura 2-20. ¡Ojo!!!, aunque el sensor se
puede conectar de dos maneras a la TCS sólo una es la correcta.
Figura 2-20: Conexión del GP2D12 con la TCS
3.2 Otros sensores de medida de distancia por infrarrojos SHARP GP2Dxx
Además del GP2D12 comentado en la sección anterior y usado en el laboratorio, existen
otros sensores de la misma familia para medir distancias.
3.2.1 Funcionamiento
El funcionamiento de estos sensores es el mismo que el del GP2D12. Lo que varia es
que dependiendo del modelo elegido la salida del sensor varía, con lo que hay que
remitirse al data sheet del modelo elegido para ver su funcionamiento interno. En la
Tabla 2-3 se puede apreciar un resumen de las características de los distintos modelos
de sensor infrarrojo.
??
En los modelos analógicos la salida es un voltaje proporcional a la distancia
medida.
??
En los modelos digitales la lectura será de 8 bits serie con reloj externo.
??
En los modelos Booleanos la salida será de 1 bit, que marcará el paso por la
zona de histéresis del sensor con lo que sólo se puede obtener una medición de
una distancia fija.
Datasheets
Rango de medida
Tipo de salida
GP2D-02
10 a 80 cm.
Digital 8 bits
GP2D-05
10 a 80 cm.(adj, micro pot.)
Lógica 1 bit
GP2D-12
10 a 80 cm
Analógica (0-3V)
GP2D-15
adj. a 24cm de fabrica
Lógica 1 bit
GP2D-120
4 a 30 cm.
Analógica (0-3V)
Tabla 2-3: Resumen de los sensores GP2Dxx
En la Figura 2-21 se puede apreciar una comparación gráfica de los alcances de los
sensores de esta familia.
Figura 2-21: Comparación de los alcances de los sensores
3.3 Sensor de iluminación LDR
3.3.1 Descripción y funcionamiento
El LDR (Light Dependent Resistor) o resistencia dependiente de la luz, es una
resistencia que varia su valor en función de la luz que incide sobre su superficie. Cuanto
mayor sea la intensidad de luz que incida en la superficie de la LDR menor será su
resistencia y viceversa. La forma externa puede variar de la mostrada en la Figura 2-22,
ya que este modelo en concreto no es muy común, pero el principio de funcionamiento
es el mismo.
Figura 2-22: LDR
El LDR se usa para detectar niveles de luz ambiente o seguimiento de luces o linternas.
Se puede, por tanto, crear un seguidor de luz con varios LDR dispuestas alrededor del
robot y hacer que éste siga una luz directa que le enfoque. También puede usarse para
encender los focos o luces de balizamiento del robot en ausencia de luz.
3.4 Sensor de temperatura LM35
3.4.1 Descripción y funcionamiento
El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC y un rango que
abarca desde -55º a +150ºC.
Figura 2-23: LM35
El sensor se presenta en diferentes encapsulados, siendo el mas común de igual forma
que un típico transistor con 3 patas, dos de ellas para alimentarlo y la tercera para
entregar un valor de tensión proporcional a la temperatura medida por el dispositivo. La
salida es lineal y equivale a 10mV/ºC por lo tanto:
??
+1500mV = 150ºC
??
+250mV = 25ºC
??
-550mV = -55ºC
Para hacer un termómetro lo único que se necesita es un voltímetro bien calibrado y en
la escala correcta para que se muestre el voltaje equivalente a temperatura. El LM35
funciona en el rango de alimentación comprendido entre 4 y 30 voltios.
El sensor de temperatura puede usarse para compensar un dispositivo de medida
sensible a la temperatura ambiente, refrigerar partes delicadas del robot o bien para
anotar temperaturas en el transcurso de un trayecto de exploración.
3.5 Sensor de color CNY70
3.5.1 Descripción y funcionamiento
El CNY70 es un pequeño dispositivo con forma de cubo y cuatro patitas que aloja en su
interior un diodo emisor de infrarrojos que trabaja a una longitud de onda de 950 nm. y
un fototransistor (receptor) estando ambos dispuestos en paralelo y apuntando ambos en
la misma dirección. La distancia entre emisor y receptor es de 2.8 mm. y están
separados del frontal del encapsulado por 1 mm.
Figura 2-24: CNY70
En la Figura 2-25 se observa la disposición interna del CNY70 mirando el encapsulado
desde arriba, con el diodo emisor de infrarrojos a la izquierda y el fototransistor a la
derecha.
Figura 2-25: Esquema equivalente del CNY70
El fototransistor conducirá más, cuanta más luz reflejada del emisor capte por su base.
La salida de este dispositivo es analógica y viene determinada por la cantidad de luz
reflejada.
Si el sensor se sitúa a tres décimas de milímetros de una superficie con color,
dependiendo del color, la superficie absorberá más o menos luminosidad (el negro
absorbe toda la luz). De esta manera se puede usar el sensor como sensor de
luminosidad.
Este sensor es comúnmente utilizado en los robots rastreadores (Sniffers) para detección
de líneas pintadas sobre el suelo, debido principalmente a su baja distancia de detección.
3.5.2 Conexionado del sensor
El sensor tiene tres pines para conectarse, ver Figura 2-26. Un pin es la alimentación
(5V), otro es la referencia (GND) y por último un pin (Vo) cuya tensión es función de la
luminosidad que recibe el sensor tal y como se comentó en la sección anterior.
5V
GND
Vo
Figura 2-26: Sensor de CNY70 integrado en LEGO
La conexión con la TCS se muestra en la Figura 2-27. ¡Ojo!!!, aunque el sensor se
puede conectar de dos maneras a la TCS sólo una es la correcta.
Figura 2-27: Conexión del CNY70 con la TCS
4 Encoder incremental
Para el control de la posición de robot, así como de la distancia recorrida desde una
determinada localización, se puede optar por dotar al robot de dos encoders
incrementales ópticos. Existen numerosas empresas que comercializan encoders
incrementales (véase por ejemplo [2]), pero a precios excesivamente elevados y que
serían difíciles de integrar en LEGO. Por lo tanto, la mejor solución para el laboratorio
ha sido la fabricación de dichos encoders a partir de sus componentes básicos. Estos
encoders son de un sólo canal. En efecto, el dispositivo envía una señal cuadrada por el
cable de salida a la placa, correspondiente a las transiciones entre franjas opacas y
transparentes, siendo imposible determinar si el eje cambió su sentido de giro
únicamente con el estudio de este tren de pulsos. Por este motivo, si se quiere saber el
sentido de un motor será necesario conocer las señales de control que se envían al robot.
Como es sabido, los antiguos ratones de ordenador contaban con dos encoders para
medir los desplazamientos realizados según el eje x y el eje y, a partir de la rotación de
la bola al deslizarse sobre una superficie. Para obtener los componentes necesarios a la
hora de montar los encoders, se han extraído de un ratón de este tipo, como se muestra
en la Figura 2-28.
receptor
emisor
disco
Figura 2-28: Encoder de un ratón de PC
Para poder usar estas piezas del ratón es necesario realizar ensayos en el laboratorio
para determinar la función de cada una de las patitas de dichos dispositivos. El esquema
de montaje resultante se puede observa r en la Figura 2-29.
V0
Vcc
4.7 K?
100 ?
Vcc
Figura 2-29: Esquema de conexión del encoder
A continuación se integra todo en LEGO como se muestra en la Figura 2-30. El cable
amarillo corresponde con la señal Vcc de tensión procedente de la placa, mientras que el
cable rojo es tierra (Gnd). Por último, el cable azul es el que traslada el tren de pulsos
generados por el sensor hasta la TCS, en la que se realiza la cuenta y se almacena el
resultado, a la espera de ser utilizado por el programa de navegación del robot.
Figura 2-30: Encoder integrado en LEGO
La transmisión del movimiento del eje del motor al eje al que va solidario el disco con
las ranuras se tiene que realizar a través de engranajes de LEGO. En el eje del disco,
procedente del ratón, se acopla un engranaje de LEGO de 16 dientes, como se puede
comprobar en la Figura 2-30.
Capítulo 3 ACTUADORES
1 Motor de corriente continua
1.1 Funcionamiento
El motor de corriente continua funciona de manera que la velocidad del motor es
proporcional a la tensión que se aplica, en régimen permanente y para una misma carga.
Por otro lado, el par del motor es proporcional a la intensidad que circula por el motor.
1.2 Características técnicas
Los motores que se disponen son dos motores de LEGO, uno con aproximadamente
0.77 W de potencia mecánica y otro con 38mW de potencia mecánica. Las
características técnicas de cada uno de los motores se muestran en la Tabla 3-1 y Tabla
3-2.
Par
Velocidad Corriente
Potencia
Potencia
mecánica
eléctrica
Eficiencia
4.5 V
2.25 N.cm
50 rpm
0.12 A
0.12 W
0.54 W
22 %
7V
2.25 N.cm
140 rpm
0.12 A
0.33 W
0.85 W
39 %
9V
2.25 N.cm
219 rpm
0.12 A
0.51 W
1.1 W
47 %
12 V
2.25 N.cm
333 rpm
0.12 A
0.77W
1.5 W
54 %
Potencia
Potencia
mecánica
eléctrica
Tabla 3-1
Par
2986
Velocidad Corriente
Eficiencia
9V
1.28 N.cm
16 rpm
0.04 A
0.021 W
0.36 W
16 %
12 V
1.28 N.cm
28 rpm
0.04 A
0.038W
0.48 W
28 %
Tabla 3-2
1.3 Conexionado con la TCS
Los motores de C.C tienen dos pines para conectarse, ver Figura 3-1. Son los pines de
alimentación del motor. La conexión con la TCS se hace como se muestra en la Figura
3-1, sabiendo que el orden de conexión de los pines sólo afecta a la dirección de giro del
motor.
Figura 3-1: Conexión del motor con la TCS
2 Servomotor
2.1 Funcionamiento
Un servo es un dispositivo que, mediante un motor eléctrico con reductor y un circuito
electrónico, consigue girar su eje de salida un cierto ángulo en base a una señal que
nosotros podemos generar mediante un circuito de control. Por lo tanto, el servo tiene
tres señales de entrada, la alimentación, la referencia y la consigna de ángulo de giro.
2.2 Características técnicas
Futaba
Par
Velocidad
S3003
4.5 V
31.5 N·cm 0.23 s/60º
6V
41 N·cm
0.16 s/60º
2.3 Conexionado con la TCS
Para controlar el servo este dispone de un conector de 3 pines, que dependiendo del
fabricante pueden ir dispuestos en diferentes combinaciones. En cualquier caso el
conector tiene los siguientes pines:
NºPin
Color del cable
Función
1
Negro
GND
2
Rojo
+5V
3
Amarillo o blanco Señal de control
La diferencias entre unos servos y otros están fundamentalmente en el cableado del
conector, de todas formas lo mejor es fijarse en los colores, ya que casi siempre el rojo
indica alimentación, el negro masa y el otro cable, que suele ser blanco o amarillo, es
control.
La conexión con la TCS se muestra en la Figura 3-2. ¡Ojo!!!, aunque el servo se puede
conectar de dos maneras a la TCS sólo una es la correcta.
Figura 3-2: Conexión del servo con la TCS
2.4 Integración con LEGO
Como se puede ver en la Figura 3-3, la integración del servo con LEGO consiste en la
colocación de un engranaje de 24 dientes en el eje del servo y el ajuste de dos
TECHNIC brick with holes 1x6 pegados en cada lateral del servo. Los bricks se han
fresado y situado en el lugar adecuado para que el servo sea totalmente compatible con
piezas de LEGO en todas sus dimensiones. Por otro lado, el engranaje es el encargado
de transmitir el movimiento del motor del servo hacia cualquier transmisión de LEGO.
Figura 3-3: Integración de un servo con LEGO
En la Figura 3-4 se demuestra la total compatibilidad del servo con las piezas de LEGO,
mostrando cómo se puede situar el mismo en una plataforma rotatoria de LEGO.
Figura 3-4: Posible montaje de un servo integrado con LEGO
REFERENCIAS
[1]
DEVANTECH:
Página web distribuidor oficial:
[2]
http://www.ab.com/
http://www.robot-electronics.co.uk/
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