Selected:

Diseño de un Robot Móvil Modular

1,99

1,99

Se pretende diseñar un robot móvil del tipo modular y de un tamaño de 15cm de diámetro. El trabajo include la arquitectura del robot, la selección de componentes electrónicos, los esquemáticos y PCB.

La descarga include la siguiente información: memoria de la práctica en formato pdf y docx, presentación en formato pptx y proyecto OrCAD con los esquemáticos y PCB.

  • Fecha: January 2002 – September 2002
  • Autores: Raúl Bartolomé Castro y Xavier Garcia
  • Estudios: Ingeniería en Automática y Electrónica Industrial
  • Asignatura: Robótica Móvil

Description

Índice de contenidos

1. Introducción 3

1.1. Diagrama de bloques 4

2. Sistema central 6

2.1. Microcontrolador 6

2.2. Memoria 7

2.3. Comunicación serie 8

2.4. Hardware programable 8

2.5. Bus de expansión 9

3. Sistema motriz 10

3.1. Especificaciones Iniciales 10

3.2. Dimensionado del motor 12

3.3. Elección de los motores 14

3.4. Interfaz para los motores 16

3.5. Encoder 21

4. Sistema sensorial 23

4.1. Polarización de los sensores 24

5. Sistema energético 25

6. Lista de materiales 26

7. Esquemas electrónicos 28

7.1. Microcontrolador y memoria 28

7.2. Bus de expansión 29

7.3. Motores y encodres 30

7.4. Sensores de presencia 31

7.5. Alimentación 32

8. Placa de Circuito Impreso 33

8.1. Cara superior, inferior y serigrafía 33

8.2. Cara superior 34

8.3. Cara inferior 35

8.4. Cara de serigrafía de componentes 36

8.5. Densidad de pistas 37

Introducción

Se pretende diseñar un robot móvil del tipo modular y de un tamaño de 15cm de diámetro. En la imagen de abajo se presentan unos robots móviles comerciales del tipo modular, estos son de la empresa KTeam y el nombre del robot es KheperaII.

Para realizar nuestro diseño nos hemos inspirado en la arquitectura utilizada por KTeam, que consiste en un módulo base (controla motores y sensores) y un bus de expansión para ir apilando diferentes módulos; por ejemplo: actuación mecánica (pinza), comunicaciones por radiofrecuencia, cámara de vídeo, entradas, salidas, etc.

En este trabajo se presenta el diseño de hardware del módulo base del robot, se dan las claves necesarias para un desarrollo completo del sistema. Considere este documento como un estudio previo de la factibilidad del proyecto.

Diagrama de bloques

I2C

E1

E2

E3

E4

PSEN

A15

A14

RD

WR

PSEN

D0-7

RUEDA

RUEDA

R

1/625

R

1/625

A/D0

A8-15

A0-7

ALE

PWM

PWM

TO

T1

Microcontrolador

P80C552

SRAM

32kBy

SRAM

32kBy

FLASH

32kBy

FLASH

32kBy

DRIVER

DRIVER

ENCODER

ENCODER

M

dc

M

dc

Direcciones

Control

82C82

PLD 22V10

IR

IR

IR

IR

IR

IR

IR

IR

AS

AS

AS

AS

AS

AS

AS

AS

Datos

BUS EXP

RS232

X5

BATERIA

Acondicionamiento Alimentación

Alimentación

Cargador Batería

X10

A/D1

A/D2

A/D3

A/D4

A/D5

A/D6

A/D7

El módulo base consta de los siguientes bloques:

  • Sistema central: constituido por el microcontrolador, la memoria RAM, la memoria EEPROM, un Dispositivo Lógico Programable (PLD) y el bus de expansión.
  • Sistema motriz: formado por los motores, loa drivers y los encoders.
  • Sistema sensorial: utilizado para la detección de obstáculos mediante ocho sensores ópticos de reflexión.
  • Sistema energético: encargado de proveer de alimentación al módulo base y el résto de módulos que se acoplen. Basado en reguladores de tensión y una batería.

Sistema central

Está constituido por el microcontrolador, la memoria RAM, la memoria EEPROM, un Dispositivo Lógico Programable (PLD) y el bus de expansión.

Microcontrolador

Se trata del 80C552 de Philips, esta basado en familia 80×51 y con las siguientes características más significativas: sin ROM, 256KBy RAM, 8 A/D de 10bits, I2C, RS232, 2 PWM, 24MHz, 3 temporizadore o contadores y encapsulado PLCC de 68 vías.

Memoria

La memoria SRAM esta constituida por dos chips de 256Kbits (32Kword). Se utilizan uPD43256 de NEC, sus características más significativas son: pequeño tiempo de acceso (modelos de 70 a 150ns) y consumo bajo (10mA)

La memoria EEPROM esta constituida por dos chips de 256Kbits (32Kword). Se utilizan AT28C256 de Atmel, sus características más significativas son: razonable tiempo de acceso (150ns) y consumo moderado (50mA)

El diagrama de bloque es equivalente al anterior.

Comunicación serie

Mediante comunicación serie RS232 el módulo principal se puede conectar a un PC para dos tareas básicas:

  • Programación de la memoria EEPROM
  • Telecontrol

Para implementar las comunicaciones serie, sólo es necesario incluir un transceiver RS232 como por ejemplo el MAX232 de MAXIM.

Hardware programable

Se ha incluido una PLD de la familia de 22V10, sus objetivos son los siguientes:

  • Modificar por software el mapeado de memoria y programación de las EEPROM según las necesidades:
    • Enables de las memorias: CEn0, CEn1, CEn2, CEn3, RDEn)
  • Gestionar del bus local del robot:
    • Cotrol de los buffers del bus local (OEnAD, OEnA, DIRn)
    • Cesión y petición de control del bus local (BUSR, BUSB)
  • Comunicación con el microcontrolador
    • La PLD lee las direcciones de A15 a A13
    • Hace de interface par la gestión de cesión de bus (BR, BGH, BGACK)
    • Señales de contorol de lectura y programa (RDn y PSENn)

Bus de expansión

Esta constituido por tres conectores de ocho vías para datos, direcciones y control y otro de tres vías para la alimentación. Los conectores X1 y X3 están aislados con buffers, de esta manera se disocia el microcontrolador del bus de expansión; introduciendo también la captura de bus X4.7 se consigue que otros dispositivos puedan utilizar el bus para comunicarse entre si.

  • X1: Datos y direcciones multiplexadas
    • X1.1: AD0 Dato y dirección bit 0
    • X1.2: AD1 Dato y dirección bit 1
    • X1.3: AD2 Dato y dirección bit 2
    • X1.4: AD3 Dato y dirección bit 3
    • X1.5: AD4 Dato y dirección bit 4
    • X1.6: AD5 Dato y dirección bit 5
    • X1.7: AD6 Dato y dirección bit 6
    • X1.8: AD7 Dato y dirección bit 7
  • X3: Direcciones y control
    • X3.1: A8 Dirección bit 8
    • X3.2: A9 Dirección bit 9
    • X3.3: A10 Dirección bit 10
    • X3.4: A11 Dirección bit 11
    • X3.5: A12 Dirección bit 12
    • X3.6: ALE Enable para Lachear la Dirección
    • X3.7: WRn Enable para la escritura
    • X3.8: RDn Enable para la lectura
  • X4: Interrupciones, comunicación y gestión de bus
    • X4.1: SCL bus I2C
    • X4.2: SDA bus I2C
    • X4.3: CT0 interrupción 0
    • X4.4: CT1 interrupción 1
    • X4.5: CT2 interrupción 2
    • X4.6: CT3 interrupción 3
    • X4.7: BUSB Captura del bus local
    • X4.8: GND
  • X2: Alilmentación
    • X2.1: V BAT tención de batería
    • X2.2: GND
    • X2.3: GND

Sistema motriz

El objetivo es diseñar el bloque motriz de un robot móvil de doble tracción (2 motores) mediante un control PWM generado desde un microcontrolador.

Especificaciones Iniciales

  • El robot consta de una pequeña plataforma que integra el sistema motriz del robot, su controlador y un sistema de sensores de obstáculos. Incluye una batería y los circuitos electrónicos necesarios en su diseño. Por otra parte, estará diseñado para acoplar nuevos módulos de expansión que aumenten las posibilidades de funcionamiento del robot. Por tanto, se ha de prever un incremento de peso.

La masa máxima prevista a soportar por este pequeño robot se estima en 400g. Se fija la gravedad en 9.81m/s2.

  • Se estima una velocidad máxima en línea recta de 0.5m/s. La máxima velocidad de giro se establece en 90º/s.
  • Las dimensiones del robot son las siguientes:

Esquema%20de%20Robot%20Móvil

Se han escogido unas ruedas para el robot que tienen un radio de 38mm y son de Neopreno puro, ya que se adhieren mejor aumentando la tracción. Además, produce un movimiento silencioso, suave y amortiguado. Se ha estimado el coeficiente de rozamiento en 0.7.

  • Se utiliza una pequeña rueda adicional como punto de apoyo trasero. En vez de utilizar una rueda loca giratoria, se ha escogido una rueda patín omnidireccional de 4mm con el fin de mejorar la dinámica del robot.

Rueda%20loca

Rueda Loca

Rueda%20patin

Rueda Patín

Dimensionado del motor

Para analizar las características que deben tener los motores de tracción, se considera el siguiente esquema de fuerzas simplificado:

Esquema%20de%20fuerzas%20planta Esquema%20fuerzas

Datos iniciales:

Gravedad: g = 9.81m/s2.

Coeficiente de rozamiento: μ = 0.7.

Masa total prevista: m = 0.4kg.

Velocidad lineal: V = Vmáx = 0.5m/s.

Radio rueda: r = 38mm = 0.038m.

Se supone que la rueda de apoyo trasera no ejerce ningún efecto significativo en los cálculos.

Se busca: La potencia mecánica y el Momento de giro necesarios para escoger el motor.

Cálculos:

La fuerza de empuje resultante es de 2.75N (Newtons).

2 Motores F = Fi + Fd ;

Fuerza de empuje de cada motor del robot en movimiento recto.

 

Siendo: W Trabajo; w watts; t tiempo; V Velocidad; N Newtons.

La potencia mecánica necesaria es de 0.69w por motor.

 

Siendo: ω Velocidad angular; V Velocidad; r Radio de rueda.

La velocidad angular de las ruedas para asegurar la velocidad de 0.5m/s es de 13.16rad/s.

Siendo: P Potencia; M Momento de giro; ω Velocidad angular; N·m “Newtons por metro”.

En resumen, las características mecánicas del motor son:

Potencia mecánica > 700mw

Momento de giro > 53mNm

Elección de los motores

Entre los distintos tipos de motores que son útiles en robots móviles, se han escogido los motores de corriente continua (CC) o motores DC (Brushed).

Se barajan dos motores que varían principalmente en su tamaño. Son los siguientes:

El DC2S6.625.R.2 de Myonic, un micromotor con reductor planetario incorporado.

Motor%20smoovy

Esquema%20del%20smoovy

La relación de transferencia del reductor es de 1:625. Funciona a partir de 3VDC, tiene un bajo consumo sin carga de 68mA y Momento de giro (Torque) es de 68mNm.

Se trata de un motor de dimensiones muy reducidas que permitiría optimizar espacio en el robot. Pero el momento de giro aunque suficiente es justo.

La segunda opción es el 245-6102 de RS Amidata S.A., un motor DC con engranajes reductores.

Es un motor DC con un reductor acoplado (90:1) y dispone de un circuito interno que minimiza las interferencias eléctricas. Se alimenta a 12VDC con 50mA de corriente nominal. La velocidad nominal es de 18rpm con un par de 8Ncm (80mNm). El problema es que tiene un funcionamiento a baja velocidad y no cubriría las especificaciones de velocidad.

En todo caso, la elección irá en función del espacio de la placa y las decisiones finales de diseño del robot.

Interfaz para los motores

Los motores irán controlados por señal PWM. Para alimentarlos hará falta adaptar la señal del microcontrolador con un acondicionador de señal. Existen muy variadas maneras de alimentar un motor DC, pero debido a las especificaciones de tamaño requeridas en el robot se ha escogido la siguiente.

Se utilizará un circuito integrado llamado L293B de SGS-Thomson Microelectronics para excitar los motores.

Este integrado está diseñado para controlar una carga de hasta 1A de consumo por canal, especialmente motores, desde la señal lógica TTL de un microcontrolador. Presenta dos pines de alimentación: uno para alimentar la lógica del L293B a 5V, y el otro para alimentar la carga hasta una tensión de 36V.

Los pines dedicados de este circuito integrado se muestran a continuación:

Pin

Nombre

Descripción

Patillaje

1

Chip Enable 1

Habilitación de los canales 1 y 2

nivel_81

http://autric.com/Microbotica%20y%20Mecatronica/images/Construccion/Nivel%20de%20Reaccion%20con%20uP/n_reac87.gif  

2

Input 1

Entrada del canal 1

3

Output 1

Salida del canal 1

4

GND

Tierra de alimentación

5

GND

Tierra de alimentación

6

Output 2

Salida del canal 2

7

Input 2

Entrada del Canal 2

8

VS

Alimentación de las cargas

9

Chip Enable 2

Habilitación de los canales 3 y 4

10

Input 3

Entrada del canal 3

11

Output 3

Salida del canal 3

12

GND

Tierra de alimentación

13

GND

Tierra de alimentación

14

Output 4

Salida del Canal 4

15

Input 4

Entrada del canal 4

16

VSS

Alimentación del C.I.

Las características eléctricas que provee el fabricante son las siguientes:

Símbolo

Parámetro

Condiciones de Test

Min

Típica

Max

Ud

VS

Tensión de alimentación de las cargas

 

VSS

 

36

V

VSS

Tensión de alimentación de la lógica

 

4.5

 

36

V

IS

Corriente total de reposo

Vi =L IO=0 Vinh=H

Vi =H IO=0 Vinh=H

Vinh=L

 

2

16

6

24

4

mA

ISS

Corriente de reposo con señal de control

Vi =L IO=0 Vinh=H

Vi =H IO=0 Vinh=H

Vinh=L

 

44

16

16

60

22

24

mA

VIL

Tensión de entrada a nivel bajo

 

– 0.3

 

1.5

V

VIH

Tensión de entrada a nivel alto

VSS 7V

VSS >7V

2.3

2.3

 

VSS

7

V

IIL

Corriente de entrada a nivel bajo

ViL =1.5V

 

 

-10

A

IIH

Corriente de entrada a nivel alto

2.3V VIH VSS –0.6

 

30

100

A

VinhL

Tensión de habilitación a nivel bajo

 

-0.3

 

1.5

V

VinhH

Tensión de habilitación a nivel alto

VSS 7V

VSS > 7V

2.3

2.3

 

VSS

7

V

IinhL

Corriente de habilitación a nivel bajo

VInhL=1.5V

 

-30V

-100

A

IinhH

Corriente de habilitación a nivel alto

2.3VVIHVSS-0.6

 

 

10

A

VCesatH

Tensión de salida con fuente saturada

IO = 1 A

 

1.4

1.8

V

VCesatL

Tensión de salida con el sumidero saturado

IO = 1 A

 

1.2

1.8

V

Tiempos de conmutación

El esquema de conexión con el motor es el siguiente (mitad del integrado):

n_reac89

Vinh

A

B

Motor

H

L

L

Parada rápida del motor

H

H

H

Parada rápida del motor

H

L

H

Giro a la Izquierda

H

H

L

Giro a la derecha

L

X

X

Motor desconectado, giro libre

Para evitar posibles picos de corriente inversa en el momento del arranque, se conectarán el motor a la salida del integrado con el siguiente circuito:

n_reac90

El conexionado final de los motores al microcontrolador utilizando el L293B es el siguiente:

Circuito3

Encoder

El sistema motriz debe poseer un lazo de retroalimentación que permita medir la velocidad de control de los motores. Para ello, se ha pensado en realizar un encoder óptico acoplado al eje del motor para medir el ángulo de giro de las ruedas de los motores. Para este fin, se ha escogido el sensor optoelectrónico H21A.

El sensor H21A tiene una cápsula en forma de U que tiene un emisor y un receptor separados por 3mm entre ellos, pero a la misma distancia. Esta construcción a modo de barrera de luz permite detectar objetos que, al interponerse entre el emisor y el receptor, cortan el haz de luz.

El esquema electrónico y su apariencia son los siguientes:

Sensor%20optoelectronico

La conexión de este circuito al microcontrolador se realiza mediante el siguiente circuito:

Conexión%20H21A

El encoder se completa con un disco rasurado que deja o no pasar la luz a medida que este disco gira solidaria a la rueda. La resolución del encoger viene en función del número de ranuras que posea el disco. El número de ranuras de que disponga el disco del encoder es el número de señales que se generarán por vuelta del disco.

En función de la resolución deseada de medida, el montaje del encoder junto al motor sería parecido al siguiente esquema:

Encoder

Sistema sensorial

Esta basado en ocho sensores de reflexión óptica distribuidos en la periferia del robot. Mediante este sistema sensorial, el robot es capaz de detectar obstáculos del medio que le rodea. Se proponen los TCRT1000 de VISHAY

Presenta la siguiente curva característica

Para detectar presencia de objetos, lo que pretenderemos detectar son las variaciones de corriente de colector respecto al desplazamiento. Estos valores dependerán significativamente del tipo de material que refleje la luz, por ello será necesario tener tabulados diferentes medios de trabajo para el robot

Polarización de los sensores

Seguidamente se presenta un circuito básico para polarizar el sensor y realizar la mediad, según el fabricante, esta configuración presenta una gran dependencia con la luz ambiental.

Para solventar los efectos de la luz ambientas, se propone polarizar el sensor en alterna mediante un temporizar 555 y un filtro activo implementado con operacionales.

Sistema energético

Download to continue reading…

Reviews

There are no reviews yet.

Be the first to review “Diseño de un Robot Móvil Modular”

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Close Menu
×
×

Cart

%d bloggers like this: