INGENIERÍA EN AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA … · RS232 como por ejemplo el MAX232 de MAXIM. ... puedan utilizar el bus para comunicarse entre si. ... SDA bus I2C o X4.3: CT0 interrupción

Universidad Rovira i Virgili

INGENIERÍA EN AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

Robótica Móvil

Diseño de un robot móvil modular

Autor: Xavier García Raúl Bartolomé Castro Fecha: Enero del 2002

Universidad Rovira i Virgili Ingeniería en Automática y Electrónica Industrial Robótica Móvil

Diseño de un robot móvil modular 2/37

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



1. 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.



1.1. Diagrama de bloques

I2C

E1 E2 E3 E4 PSEN A15 A14

RD WR PSEN

D0-7

RU

EDA

R

UED

A

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 22V

10

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.



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

2.1. Microcontrolador Se trata del 80C552 de Philips, esta basado en familia 80x51 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.



2.2. 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.



2.3. 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.

2.4. 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:

o Enables de las memorias: CEn0, CEn1, CEn2, CEn3, RDEn) • Gestionar del bus local del robot:

o Cotrol de los buffers del bus local (OEnAD, OEnA, DIRn) o Cesión y petición de control del bus local (BUSR, BUSB)

• Comunicación con el microcontrolador o La PLD lee las direcciones de A15 a A13 o Hace de interface par la gestión de cesión de bus (BR, BGH, BGACK) o Señales de contorol de lectura y programa (RDn y PSENn)



2.5. 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 o X1.1: AD0 Dato y dirección bit 0 o X1.2: AD1 Dato y dirección bit 1 o X1.3: AD2 Dato y dirección bit 2 o X1.4: AD3 Dato y dirección bit 3 o X1.5: AD4 Dato y dirección bit 4 o X1.6: AD5 Dato y dirección bit 5 o X1.7: AD6 Dato y dirección bit 6 o X1.8: AD7 Dato y dirección bit 7

• X3: Direcciones y control o X3.1: A8 Dirección bit 8 o X3.2: A9 Dirección bit 9 o X3.3: A10 Dirección bit 10 o X3.4: A11 Dirección bit 11 o X3.5: A12 Dirección bit 12 o X3.6: ALE Enable para Lachear la Dirección o X3.7: WRn Enable para la escritura o X3.8: RDn Enable para la lectura

• X4: Interrupciones, comunicación y gestión de bus o X4.1: SCL bus I2C o X4.2: SDA bus I2C o X4.3: CT0 interrupción 0 o X4.4: CT1 interrupción 1 o X4.5: CT2 interrupción 2 o X4.6: CT3 interrupción 3 o X4.7: BUSB Captura del bus local o X4.8: GND

• X2: Alilmentación o X2.1: V BAT tención de batería o X2.2: GND o X2.3: GND



3. 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.

3.1. 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:

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 Loca

Rueda Patín



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

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: ∑ ⋅==→= gmNPFy 0

Ns

mkgsmkggmNFrFFx 75.275.2/81.94.07.00 22 =

⋅≅⋅⋅=⋅⋅=⋅==→=∑ µµ

La fuerza de empuje resultante es de 2.75N (Newtons). 2 Motores F = Fi + Fd ;

NNFFdFi 38.12

75.22

≅=== Fuerza de empuje de cada motor del robot en

movimiento recto.

Vts

sFW

=∆∆

∆⋅= w

smNsmNVF

tsF

tWP 69.069.0/5.038.1 =

⋅=⋅=⋅=

∆∆⋅

=∆

=⇒

Siendo: W Trabajo; w watts; t tiempo; V Velocidad; N Newtons. La potencia mecánica necesaria es de 0.69w por motor.

sradmsm

rV /16.13

038.0/5.0

===ω

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.

mmNmN

srads

mN

sradwPMMP ⋅=⋅≅

⋅

===→⋅= 53053.016.13

69.0

/16.1369.0

ωω

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



3.3. 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. 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.



3.4. 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

2 Input 1 Entrada del canal 1

3 Output 1 Salida del canal 1

4 GND Tierra de alimentación



7 Input 2 Entrada del Canal 2

8 VS Alimentación de las cargas

9 Chip Enable 2

Habilitación de los canales 3 y 4





14 Output 4 Salida 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

Típ

ica

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 µA

IIH Corriente de entrada a nivel alto 2.3V≤ VIH ≤ VSS –0.6 30 100 µA

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 µA

IinhH Corriente de habilitación a nivel alto 2.3V≤VIH≤VSS-0.6 ±10 µA

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):

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:



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



3.5. 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:

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

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:



4. 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



4.1. 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.



5. Sistema energético La alimentación del robot móvil se compone de varios bloques: un cargador de batería, la batería, varios circuitos de acondicionamiento de la alimentación a diferentes tensiones y un bus de alimentación para futuros módulos de ampliación. Se ha escogido como referencia una batería de NiMH de 12V que entrega hasta 0.7A/h. Las tensiones de salida son de 12VDC para los motores y el bus de alimentación, y de 5VDC para el microcontrolador del robot y el resto de circuitos integrados con esta alimentación. El esquema de alimentación para dichas especificaciones es el siguiente:

Este circuito lleva un puente de diodos para rectificar la señal, un estabilizador de 12V y otro de 5V. Cada módulo adicional deberá llevar su propio circuito para asegurar la estabilidad de la señal de alimentación en continua. Los circuitos típicos estabilizadores son los LM7812 y LM7805. También se ha incluido un regulador de tensión para los motores, otro para la electrónica analógica y un regulador de precisión para generar la tensión de referencia lo mas estable posible



6. Lista de materiales Elemento Cantidad Referencia Componente

1 1 C1 10uF 2 2 C2,C3 30pF 3 12 C4,C5,C6,C7,C35,C36,C45, 1uF

C46,C55,C56,C65,C66 4 2 C8,C9 100uF 5 38 C10,C11,C12,C14,C15,C16, 100nF

C17,C18,C19,C20,C21,C22, C23,C24,C25,C26,C27,C28, C29,C30,C31,C32,C37,C38, C40,C41,C47,C48,C50,C51, C57,C58,C60,C61,C67,C68, C70,C71

6 1 C13 10uF 7 8 C33,C34,C43,C44,C53,C54, 1nF

C63,C64 8 8 C39,C42,C49,C52,C59,C62, 22nF

C69,C72 9 8 D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8 1N4007

10 1 D9 BRIDGE 11 4 D10,D12,D13,D14 1N4004 12 1 D11 LED 13 8 ISO1,ISO2,ISO3,ISO4,ISO5, TCRT1000

ISO6,ISO7,ISO8 14 2 J1,X5 CON2 15 1 Q1 BC337 16 7 RV1,R3,R4,R5,R6,R7,R8 10k 17 2 R1,R2 2k2 18 1 R9 8K2 19 2 R10,R12 47k 20 11 R11,R13,R14,R16,R18,R30, 220

R32,R44,R46,R58,R60 21 8 R15,R17,R29,R31,R43,R45, 9k1

R57,R59 22 16 R19,R20,R21,R22,R33,R34, 33k

R35,R36,R47,R48,R49,R50, R61,R62,R63,R64

23 8 R23,R24,R37,R38,R51,R52, 5k1 R65,R66

24 8 R25,R27,R39,R41,R53,R55, 510 R67,R69

25 8 R26,R28,R40,R42,R54,R56, 1k R68,R70

26 1 S1 SW SPST 27 2 U2,U1 74HC245 28 1 U3 P80C552 PLCC 29 1 U4 82C82 30 2 U5,U7 43256



31 2 U8,U6 28C256 32 1 U9 22V10 33 1 U10 MAX232 34 1 U11 40106 35 1 U12 L293 36 1 U13 L7812/TO220 37 3 U14,U15,U17 L7805/TO220 38 1 U16 REF02CP 39 2 U23,U18 124 40 8 U19,U20,U21,U22,U24,U25, LM555

U26,U27 41 3 X1,X3,X4 CON8 42 1 X2 CON3 POWER 43 2 X6,X7 CON4 44 4 X8,X9,X10,X11 CON2 POWER 45 1 Y1 24 MHz



7. Esquemas electrónicos

7.1. Microcontrolador y memoria



7.2. Bus de expansión



7.3. Motores y encodres



7.4. Sensores de presencia



7.5. Alimentación



8. Placa de Circuito Impreso

8.1. Cara superior, inferior y serigrafía



8.2. Cara superior



8.3. Cara inferior



8.4. Cara de serigrafía de componentes



8.5. Densidad de pistas

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