2 descripcion del robot

Captulo 2 - Descripcin del robot 15

Captulo 2. Descripcin del robot

En este captulo se introducir el robot utilizado en el proyecto, tanto la

parte mecnica como la electrnica utilizada. El objetivo es entender todo el

hardware del que dispone el robot y que ser programado para un fin concreto. La

parte software se detalla en el captulo siguiente, sin embargo se introducir

brevemente el algoritmo utilizado por la IMU para obtener la actitud del robot.

Entre la electrnica utilizada tambin se detalla la comunicacin inalmbrica con el

PC a travs de mdulos Zigbee y el funcionamiento de estos.

2.1. BASE DE LOCOMOCIN

Como base de locomocin del robot se ha utilizado una base comercial que

consta de cuatro ruedas en una configuracin llamada Skid Steer. Esta

configuracin es similar a la diferencial, pero al constar de cuatro ruedas se

produce deslizamiento transversal, cosa que no ocurre con la diferencial. A efectos

del control puede manejarse de manera similar si no se tiene en cuenta el

deslizamiento.


Figura 6. Modelo en 3D de la base de locomocin utilizada

Esta base posee un motor para cada rueda y un chasis de aluminio de

dimensiones 280x297x126 mm. Esta configuracin est preparada para

maniobrar sobre terrenos no preparados.

Esta base incluye la electrnica de potencia para manejar los motores de

cada lado por separado y un microcontrolador Atmel ATMega168 para realizar el

control a bajo nivel de los motores.


Figura 7. Placa de electrnica de control a bajo nivel de motores

La programacin del microcontrolador se realiza mediante la interfaz de

Arduino. La placa consta de un chip FTDI que proporciona un enlace entre el

puerto USB y el puerto serie (USART) del microcontrolador. El ordenador se

conecta a la placa con un cable USB, el cual, gracias al driver FTDI es emulado por

el ordenador como si fuese un puerto serie estndar.

2.2. ARDUPILOT MEGA

Ardupilot Mega es un autopiloto diseado para el control de todo tipo de

UAVs. Est basado en el microcontrolador ATmega2560 e incorpora el software

necesario para usarlo sin necesidad de programarlo, pero al ser de cdigo abierto

deja la puerta abierta a modificaciones del cdigo y utilizarlo para cualquier otra

funcin, por este motivo se ha elegido como la placa apropiada para el objetivo de

este proyecto de controlar un robot terrestre.

Actualmente, los desarrolladores del Ardupilot Mega estn desarrollando el

software para utilizarlo con robots terrestres llamado ArduRover, aunque todava

se halla en una fase inicial de su desarrollo.


Figura 8. Placa Ardupilot Mega e indicacin de conexiones

2.2.a. Descripcin del Ardupilot Mega

Este controlador se encuentra dividido en dos placas electrnicas: la placa

de microcontrolador y la de sensores o IMU. Los sensores que incluye esta placa

son los siguientes:

Acelermetro de 3 ejes

Giroscopio de 3 ejes

Magnetmetro de 3 ejes

Sensor de presin absoluta

GPS: mdulo Mediatek MT3329 con firmware 1.6. Puede

proporcionar la posicin a una frecuencia mxima de 5Hz a travs de

un puerto con niveles TTL a 3.3V.

Segn la hoja de especificaciones del fabricante, tiene una precisin

en las medidas de 3 metros de valor cuadrtico medio en el plano

horizontal y 0.1 m/s de error en velocidad.


Figura 9. Mdulo GPS Mediatek con antena integrada

Otras caractersticas que posee el Ardupilot Mega son:

Entradas de radio control y salidas para servos

Chip de failsafe capaz de reiniciar el microcontrolador principal y

conmutar el control de salida de los servos en caso de fallo.

Rel para conmutacin.

USB 2.0

Monitorizacin de bateras

El microcontrolador usado es compatible con el entorno de programacin

Arduino. En este entorno se puede modificar el cdigo proporcionado por el

desarrollador libremente. En este caso se ha realizado la transformacin a un

controlador de robot mvil, ya que dispone de los sensores suficientes para

controlarlo. La parte del cdigo original encargada de la IMU se mantendr para

realizar los clculos para obtener los ngulos de inclinacin del robot tomando la

notacin de las aeronaves: guiada (yaw), cabeceo (pitch) y alabeo (roll), tambin

llamados ngulos de Euler.

Al igual que la placa controladora de los motores del robot, la placa de

sensores incluye un chip FTDI para comunicar el microcontrolador con un

ordenador a travs de USB. Esta comunicacin, como se explica anteriormente

permite programar la placa y realizar una comunicacin serie con el ordenador.

2.2.b. Funcionamiento de la IMU

La IMU que incorpora el Ardupilot Mega posee nueve grados de libertad

(tres del acelermetro, tres del giroscopio y tres del magnetmetro), es decir

nueve medidas de los sensores que hay que convertir en los tres grados de libertad

de rotacin de un cuerpo en el espacio. Para estimar estos tres ngulos de

orientacin es necesario programar un filtro que unifique toda la informacin para

corregir los errores de los sensores.


Se disponen sensores inerciales (acelermetros y giroscopio) que dan

informacin precisa a corto plazo, pero tienden a ser poco fiables con el tiempo, y

dos dispositivos que dan informacin absoluta a lo largo del tiempo que son el GPS

y el magnetmetro. Combinando los sensores se obtiene una informacin mucho

ms fiable y precisa de la actitud de la que tendran cada uno por separado.

Los giroscopios dan informacin de la velocidad de giro en cada eje, por lo

que se podra estimar la rotacin del robot con solo integrar la velocidad de giro.

Sin embargo, esta informacin no es suficiente, pues a lo largo del tiempo se

acumulan errores numricos.

Con un acelermetro de tres ejes se puede determinar la orientacin del

robot fijo respecto a la superficie terrestre. En cambio, si el robot se mueve con

cierta aceleracin se medir la combinacin de la aceleracin con la gravedad y

ambas sern indistinguibles. Por tanto, un acelermetro por s solo no puede

utilizarse para obtener la orientacin del robot.

Se suele usar un filtro de Kalman para integrar las medidas de los sensores

y corregir sus errores. Este filtro funciona bastante bien en la prctica pero es

computacionalmente costoso, por eso el Ardupilot Mega utiliza otro mtodo para

identificar la orientacin llamado "Premerlani-Bizard robust direction cosine

matrix estimator" basado en el trabajo de Mahony et al [4].. El esquema del

proceso es el siguiente:

Figura 10. Esquema del proceso de estimacin de la orientacin

Si se quisiera transformar un vector de un sistema de referencia a otro se

puede hacer utilizando una matriz de rotacin o tambin llamada matriz de

cosenos directores. Esta matriz describe la orientacin de un sistema de

coordenadas con respecto al otro. La transformacin contraria se realizara con la

inversa de la matriz de rotacin, que resulta ser idntica a la matriz transpuesta al


tratarse de una matriz ortogonal. La matriz de cosenos directores se encuentra

relacionada con los ngulos de Euler (, , ) de la siguiente manera:

[

]

Esta matriz va cambiando segn vaya cambiando la orientacin del robot.

[

]

La integracin numrica se realiza aplicando sucesivas multiplicaciones

cada pocos milisegundos con las nuevas medidas de los giroscopios .

Al transcurrir el tiempo se van acumulando errores numricos que hacen

que la matriz de rotacin pierda la propiedad de ortogonalidad. Esta propiedad

indica que si dos vectores son perpendiculares en un sistema de referencia

seguirn sindolo despus del cambio de sistema de referencia, y que la longitud

de un vector ser la misma en ambos sistemas de referencia. Si bien el error no

aumenta rpidamente puede ser importante despus de unos minutos y es

necesario corregirlo.

Para corregir los errores primero se tiene en cuenta las propiedades que la

matriz de cosenos directores debe cumplir. Para ello se hacen pequeos ajustes

para renormalizar la matriz y reescalar las filas de la matriz para que sean vectores

de magnitud 1.

Despus hay que tomar medidas para los errores que aaden un offset a las

medidas de los giroscopios. Para corregir los offsets se compensa con una medida

de orientacin absoluta que no tenga offsets como son el GPS y acelermetros o

magnetmetros. Aunque estos sensores no tienen una respuesta tan rpida como

puede hacerlo el giroscopio.

Utilizar el GPS para corregir los offsets es vlido nicamente para usarlo en

un avin, ya que siempre se est desplazando, y a partir del desplazamiento se

puede obtener la direccin en la que se mueve el avin que es una medida absoluta

del ngulo de guiada (yaw), asumiendo que el avin se mueve en la direccin

hacia la que est apuntando, lo cual no es cierto con vientos cruzados. Los

acelermetros se utilizan para proporcionar informacin sobre el eje Z. Para un


robot terrestre o un UAV de despegue vertical no podra ser vlido el GPS debido a

que puede permanecer esttico, por lo que se recurre a un magnetmetro de tres

ejes que proporciona la misma medida. El error se puede medir como el producto

vectorial del vector de referencia con el correspondiente de la matriz de cosenos

directores. Ese error es realimentado negativamente con un controlador PI para

neutralizarlo. El trmino integral asegura que se cancele totalmente el offset.

Los ngulos obtenidos como resultado se almacenan en variables de 32 bits

en punto fijo con dos cifras decimales. El hecho de utilizar un mayor nmero de

bits respecto a los 8 bits con los que trabaja el procesador es para evitar un

aumento de los errores numricos al realizar operaciones. Por otra parte, trabajar

con 32 bits en un procesador de 8 bits hace ms lentas las operaciones. En este

caso se est utilizando un microcontrolador lo suficientemente potente como para

realizar los clculos en tiempo real.

2.3. ZIGBEE

El controlar el robot a distancia desde el ordenador hace necesario utilizar

algn modo de comunicacin inalmbrica, tanto para la telemetra como el control

del movimiento. Para ello se han empleado un par de mdulos Zigbee que

proporcionan una comunicacin serie bidireccional entre el ordenador y el

Ardupilot Mega.

Zigbee se trata de un protocolo estandarizado para redes inalmbricas.

Dicho estndar es abierto y fue desarrollado por ZigBee Alliance, que la componen

un conjunto de empresas internacionales, muchas de ellas fabricantes de

semiconductores.

Este estndar fue desarrollado para cumplir ciertas especificaciones como

son: bajo coste, bajo consumo, crear redes de manera flexible y fcil de usar.

Adems, utiliza tres posibles bandas de frecuencia de uso pblico, entre ellas la de

2.4GHz

Ya que ZigBee se ha creado como un estndar abierto, las distintas

empresas han creado sus productos interpretando la definicin de las normas. Esto

hace que mdulos de distintos fabricantes no tengan por qu ser compatibles entre

s.

Muchas veces se suele comparar ZigBee a Bluetooth, aunque estos no han

sido diseados para las mismas aplicaciones. Por un lado, ZigBee consigue unos

consumos insignificantes que permiten que funcionen con bateras durante aos,

con una tasa de transferencia de hasta 250 kbps. Por otro lado Bluetooth tiene un

consumo mayor, teniendo una mayor diferencia del consumo en el reposo, donde

bluetooth debe permanecer comunicndose, aunque la velocidad es mucho mayor


hasta 3 Mbps. Sobre todo, con ZigBee se consigue un consumo mnimo dejando el

dispositivo en reposo durante grandes periodos de tiempo.

El rango de transmisin con un dispositivo estndar suele ser de unos 200m

en exterior y 30m en interior, aunque depende de la potencia de los mdulos

utilizados y las antenas. Tambin se puede aumentar el rango de transmisin

colocando nodos intermedios que unan los nodos lejanos, utilizando las topologas

de red en malla o rbol.

Una ventaja ms de ZigBee es la fiabilidad de la red. Emplea tcnicas que

aseguran que los datos lleguen correctamente a su destino, y en caso de no llegar

reenviar de nuevo los datos. Todo ello de manera transparente al usuario. Todos

los datos se envan encriptados en 128 bits, con lo que tambin logramos

seguridad ante intrusiones en nuestra red.

Con ZigBee podemos crear una red de hasta nodos, distribuidos en

subredes de 255 nodos. Sin embargo, con Bluetooth solo podemos contar con 8

nodos. Estos nodos organizados en topologa de rbol o mallada se comunican

entre s para hacer llegar los mensajes al nodo destinatario y son capaces de

encontrar la ruta ptima entre los distintos nodos.

Los mdulos utilizados en este proyecto son unos mdulos Xbee Pro de la

compaa Digi con antena integrada tipo cable y potencia de transmisin de

100mW. Se ha demostrado que la antena tipo cable tiene un rango de transmisin

mucho mayor que la antena integrada en un chip, aunque para aplicaciones en

interiores ambas antenas son equivalentes. La banda de frecuencia en la que

operan es 2.4GHz que comprende desde los 2.4 hasta los 2.4835 GHz y se divide en

16 canales espaciados 5 MHz uno de otro.

Los Xbee funcionan con un mnimo de conexiones: alimentacin a 3.3V y

entrada y salida serie (UART). En este caso se han acoplado los mdulos a un

zcalo que convierte los niveles de 3.3V a los 5V con los que funciona el Ardupilot

Mega. Para transmitir datos a un ordenador, el zcalo donde se inserta el Xbee

incorpora un conversor de puerto serie a USB basado en un chip FTDI.

2.3.a. Configuracin de los mdulos Xbee

Antes de comenzar a usar los mdulos Xbee es necesario configurarlos para

que los mdulos se encuentren emparejados y transmitan a la tasa de datos

deseada. En este caso se van a utilizar dos mdulos. Para configurarlos existe una

herramienta software de la misma compaa Digi llamada X-CTU, sta se comunica

con los mdulos enviando comandos AT, que son instrucciones de configuracin.

La conexin de los mdulos al ordenador se realiza a travs de un puerto USB

conectado al zcalo que contiene un conversor USB-serie.


La configuracin bsica a modificar es el PANID y el Baudrate. El PANID es

el nmero que identifica la red, que debe ser idntico en todos los mdulos que se

quieran interconectar y el Baudrate es la velocidad del puerto serie que se crea

hacia afuera de los Xbee, por defecto es 9600 bps pero para utilizarlo con el

Ardupilot Mega se debe configurar a 57600 bps. Es posible utilizar velocidades

diferentes en ambos mdulos pero no es recomendable pues se puede desbordar el

buffer interno de los Xbee y perder bytes en la comunicacin.

Figura 11. Programa X-CTU y configuracin del mdulo Xbee

Adems de la configuracin bsica se han configurado otros parmetros de

los mdulos como son el Node Identifier (NI) que es un nombre que se asigna a

cada mdulo, el Packetization Timeout (RO) que define el nmero de bytes que se

transmitir en un mismo paquete de datos, y el Destination Address (DH y DL) que

indica la direccin del mdulo con el que se va a comunicar. Tambin se ha

definido el mdulo conectado al PC como un nodo coordinador, aunque este

parmetro no es necesario modificarlo para el funcionamiento.

Para introducir esta configuracin en el programa primero se elige el puerto

COM asociado al Xbee y seleccionar la velocidad a la que se han configurado (si es

la primera vez ser 9600bps). Luego hay que ir a la pestaa Modem Configuration

para introducir los parmetros definidos anteriormente. Pulsamos el botn Read

para adquirir la configuracin actual del mdulo, luego modificamos los

parmetros deseados y pulsamos el botn Write para cargarlos al Xbee. Desde esta


interfaz tambin se puede modificar la versin del firmware para cargar la ltima

versin por ejemplo.

2 descripcion del robot

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