ROBOT DE CARRERAS GABOTT-1 (Parte 1)

Al momento de pasar de la etapa de un sigue-líneas a un robot de carreras para competencia el constructor se encuentra ante un dilema, como lograr un sistema electrónico de acuerdo a los requerimientos de velocidad de respuesta de la prueba que nos permita de una manera sencilla adaptar un sistema mecánico simple, de construcción factible sin componentes difíciles de obtener y de bajo costo, nuestro proyecto responde a estas expectativas y a su vez ha logrado muy buenos resultados en competencias de buen nivel y lo mejor de todo a bajo costo.

Autor: Ing. Juan Carlos Téllez Barrera

Docente ESCOM – I.P.N. e-mail: jctellez@saberinternacional.com.mx

La construcción de un circuito especifico para un robot de carreras a veces se torna un tanto compleja por la disposición de materiales y de elementos de circuito, muchas veces recurrimos a los controles por PMW y otros tantos basados en microcontrolador, pero cuando recurrimos a las pruebas reales nos damos cuenta que nos es tan sencillo como en un sigue líneas ya que gran parte de la complejidad recae en los elementos mecánicos y su funcionamiento a la par con el circuito electrónico, muchas veces aconsejo que analicen el funcionamiento de un sigue líneas con una configuración de tracción diferencial y traten de analizar que ocurriría si aumentasen la velocidad, entonces nos damos cuenta de los siguiente: -El cabeceo aumenta considerablemente (movimientos de la dirección del móvil) con la velocidad. Lo anterior nos dice que una configuración de tracción diferencial no es la mejor, y si como solución se adiciona un control de velocidad a cada motor tendremos que implementar un efectivo control de PMW basado en microcontrolador y será de uso obligatorio que tenga incorporado un convertidor Analógico/Digital. -El aumento de velocidad a veces lo obtenemos con el aumento de voltaje a los motores, lo cual requeriría de una fuente de alimentación mayor y de gran

capacidad de corriente, lo que se refleja en peso y costo. La solución podría ser usar un sistema de tracción con menor relación de reducción. - La solución anterior se refleja en que el robot debe ser de mucho menor peso, lo cual se traduce en un volumen menor y por supuesto que su sistema mecánico se reduzca en tamaño por lo que hay que rediseñarlo, así mismo se deberá de contar con baterías reducidas y por consiguiente que el circuito sea eficiente. Como podremos ver nos enfrentamos a lo que yo llamo un “circulo vicioso”, para aumentar velocidad, mas voltaje, mas batería, mas peso, mas corriente, o por el otro lado menos peso, mas velocidad, baterías eficientes, mas costo, circuito mas eficiente. De uno o de otro modo caemos en la desesperación y el proyecto se torna complicado. Por las razones anteriores decidí rediseñar el circuito original del sigue líneas dando paso a este nuevo diseño que llame GABOTT-01, que es un circuito mas reducido, sencillo, muy versátil y sobre todo cumple las funciones para las cuales fue diseñado de una forma muy eficiente, claro esta eligiendo los elementos mecánicos de manera adecuada y realizando adaptaciones en forma empírica. Las prestaciones agregadas son: -Una de las salidas de potencia para motor maneja inversión de giro para la dirección, el otro es de funcionamiento constante. -Elección de umbral para detección de líneas para su ajuste. -Elección de seguimiento de líneas blancas o negras. -Elemento de memoria que le permite en caso de que pierda la línea “recordar “ hacia donde debe virar para tratar de encontrarla. -Con cambios adecuados puede implementarse un sigue líneas simple con tracción diferencial o uno de carreras con tracción tipo triciclo. El circuito a pesar de su simplicidad tiene lo necesario para construir un muy buen robot de competencia, claro esta también depende de los elementos mecánicos lo cual es la parte crucial, pero confiando en el ingenio de los lectores y con la guía ilustrativa anexa podrán lograrlo sin ningún problema.

ETAPA DE POTENCIA

Para ello recurrimos al CI L293D cuyo uso se ha extendido debido a su bajo costo, en un único encapsulado doble en línea tiene dos circuitos puente “H” completos con la capacidad de poder manejar cargas de hasta 1 ampere, entrada de habilitación (enable) de cada puente “H” que es útil para manejar PMW , diodos de protección integrados además de que acepta a su entrada niveles lógicos de hasta 7 volts máximos de amplitud, dependiendo de la configuración es capaz de manejar dos motores independientes con su respectivo control de inversión de sentido o hasta cuatro motores en un solo sentido de giro. En nuestro caso solo emplearemos un puente H para manejar el motor de dirección que es el motor 1

(M1). El otro puente lo dejaremos para un motor de marcha constante de forma permanente. El circuito es sencillo y pequeño y la tabla de verdad de funcionamiento para el caso de la inversión de giro es la de la figura1.

ENTRADAS SALIDAS

ENABLE INPUT1 A

INPUT2 B

OUTPUT1 Y OUTPUT2

H H H AMBAS SALIDAS EN ALTO (MOTOR FRENADO)

H L L AMBAS SALIDAS EN BAJO (MOTOR FRENADO)

H H L LA CORRIENTE VA DE OUT1 A OUT2

H L H LA CORRIENTE VA DE OUT2 A OUT1

L X X ALTA IMPEDANCIA ( MOTOR LIBRE)

X = No importa H = Nivel lógico Alto L = Nivel lógico Bajo

Figura 1.- TABLA LOGICA Es necesario aplicar el nivel lógico “1” a la entrada enable1 para que el motor funcione, de aplicar un nivel lógico “0” el motor dejara de funcionar y girara únicamente por inercia hasta que se detenga, en caso de aplicar un estado lógico igual en ambas entradas sin importar si es “1” o ”0” el motor no será afectado por la inercia y se frenara, lo anterior es útil para cuando se utilice alguna etapa que requiera mayor precisión como el caso de un microcontrolador. Para el motor 2 (M2) el funcionamiento será permanente por lo cual A y B ya están conectadas a GND y VCC respectivamente Ver figura 2).

Figura 2.- El CI L293D y el esquema de conexión a usar.

ETAPA DE SENSORES Su función principal es seguir una línea dibujada en una mesa o el piso y que sea de algún color contrastante con el área circundante la cual puede ser una línea negra sobre fondo blanco o línea blanca sobre fondo negro y puede presentar curvas o trayectos rectos que el mini robot o móvil deberá seguir sin salir de la misma. La sencillez del mismo radica en que necesitamos solo dos sensores para poder discernir hacia donde es la orientación de avance con respecto de la línea y así el móvil retorne a la ruta en caso de que se desvié. De acuerdo a la figura 3 y a grandes rasgos situamos ambos sensores lado a lado y que al mismo tiempo se encuentren dentro de la línea, de tal manera que al situarse los dos sensores sobre la línea el motor1 no gire y permanezca frenado, en caso de que se desvié y salga alguno de los sensores de la línea y este sobre el área fuera de esta mandara una señal de control al motor correspondiente el cual girara de tal forma que obligara a la dirección a moverse para orientar a los sensores para que estén sobre la línea, como el otro motor avanza el móvil retornara a la ruta establecida y cuando el sensor este nuevamente sobre la línea dejara de enviar la señal de control y el motor volverá a inactivarse hasta que nuevamente alguno de los dos vuelva a salir de la línea.

Fig. 3.- Mini robot en configuración tipo triciclo y ubicación de los sensores.

Funcionamiento

El funcionamiento del circuito es el siguiente, los “ojos “ de el móvil será el sensor CNY70, en el mismo encapsulado se encuentra un emisor y un detector infrarrojo, el emisor infrarrojo se polariza a través de R1 y en el receptor el fototransistor se conecta vía R2 a tierra (Ver Figura 4), cuando el receptor capte reflexión circulara a través de el una corriente proporcional al nivel de radiación incidente, ese flujo de corriente provocara en el resistor una caída de voltaje donde el nivel de este dependerá si la reflexión la provoca una superficie clara u oscura.

Figura 4.- CNY70 y el comparador.

Lógicamente la mayor reflexión será presente cuando el sensor cruce por alguna área clara y en donde se presente la línea oscura será menor, de esta manera podremos diferenciar cuando este sobre la línea y cuando se desvíe de su camino a seguir. Posteriormente el voltaje presente en el resistor se aplica a la entrada no inversora de un OPAMP en modo de comparador de voltaje, el nivel de voltaje con el cual se va a comparar lo tomaremos de un divisor resistivo formado por R3 y P1, así nosotros podremos definir el umbral en el cual nuestro móvil diferenciara entre la línea y la superficie de la pista. A la salida del OPAMP tendremos presente ya sea el voltaje de saturación positiva que será cercano al valor de la fuente o el voltaje de saturación negativo el cual es prácticamente cero. Este mismo circuito se duplicara para el segundo sensor y tendrá el mismo funcionamiento, para facilitar el ajuste de umbral de detección usaremos el mismo divisor de voltaje para el segundo circuito, así el mismo valor de voltaje de comparación será aplicado a ambos, lo que si es muy importante es que los dos sensores tengan la misma separación sobre la pista y así el circuito funcione adecuadamente.

Figura 5.- Impreso de la tarjeta de sensores y la disposición del lado de los componentes, se indica de que manera se montan los CNY70 y la orientación

de la matricula. Como puede observarse el modulo con los CNY70 usa solo dos sensores, los componentes se colocan habitualmente del lado opuesto de las pistas ya que el CNY70 tiene la suficiente altura para librar a los resistores y poder colocarlo bajo el móvil (Figura 5), sus terminales coinciden con las de la placa del circuito del robot de carreras por lo cual se recomienda soldar cables a la placa de los sensores que en un extremo tengan un conector de cuatro terminales y así

conectarlo a la placa principal, del total de 4 operacionales solo se usaran 2 del LM324 en modo comparador . Ahora sigue lo que llamamos el modulo de memoria, este estará entre la salida de los comparadores y el L293, esta formado por un integrado CMOS CD4093 que son 4 NAND, estas se usaran para formar un FLIP FLOP que será el modulo de memoria y así recordara cual de los dos sensores salio primero de la línea, las otras 2 NAND se usaran para invertir la salida del comparador y por medio de jumpers elegir entre seguimiento de líneas negras o líneas blancas. Esto lo podemos apreciar en el diagrama esquemático de circuito siguiente (Figura 6).

Figura 6.- Diagrama de circuito completo.

Figura 7.- Impreso y disposición de componentes

Figura 8.- Tarjetas terminadas y listas para montaje en le robot.

Para seguir líneas negras solo se tendrá que posicionar los jumpers hacia la posición 1, para líneas blancas hacia la posición 2 (Ver figura7).

Para finalizar solo resta probar el circuito completo alimentando con 4 pilas “AA” de 1.5 volts. Para probar el circuito podemos conectar un motor pequeño de juguete en M2 para ver si hay un funcionamiento continuo, ahí no habrá cambio alguno, ahora si

conectamos el mismo motor pero ahora en las terminales de M1 podemos hacer los siguiente

-Se sugiere colocar un interruptor entre la batería y el modulo principal de potencia, esto para los lapsos de tiempo en el que el circuito no se use y prolongar la vida de las baterías. -Se recomienda usar cinta de aislar plástica sobre una superficie limpia y plana y de esa forma podremos probar el circuito en líneas negras sobre fondo blanco o líneas blancas sobre fondo negro para verificar el funcionamiento. -El circuito con los sensores se coloca sobre la línea en forma paralela a la superficie, no inclinados y deben situarse a una altura no mayor a 5 milímetros de la superficie de la línea, 2.5 milímetros de altura es la distancia ideal. -El ajuste de el umbral de comparación deberá hacerse empíricamente, coloque los sensores sobre la línea, seleccione según sea el caso si seguirá línea blanca o línea negra, el motor deberá estar sin girar si los dos sensores están sobre la línea, si el motor gira varíe el valor del preset hasta que se detenga. Una vez que el motor se detiene mover los sensores hacia un lado, cuando uno de los sensores salga de la línea el motor comenzara a girar, lo cual quiere decir que si funciona adecuadamente, ahora si sigue moviendo los sensores y estos ya no están sobre la línea entonces el motor debe de seguir girando en la misma dirección, entonces vamos bien. Ahora regresemos los sensores a la línea sin variar la separación de los mismos con la superficie, al situarse los dos sensores nuevamente sobre la línea el motor se detendrá, entonces continuamos para que ahora salga el sensor opuesto, el motor deberá de girar ahora en sentido opuesto, cuando salgan los dos sensores el motor deberá de seguir girando. Con lo anterior comprobaremos el funcionamiento de el modulo de memoria, es decir, cuando los sensores salgan de la línea el motor deberá seguir girando para que el móvil retorne a la línea, mueva los sensores de lado a lado sobre la línea y vera como cambia de dirección el motor, entonces el circuito esta funcionando adecuadamente.

Un robot de carreras es quizá la parte más difícil de los mini robots porque nos basamos mucho en cuestiones empíricas, pero esto le da la mayor fuente de aprendizaje y nos hace los cuestionamiento en cuanto a nuestras necesidades de conocimiento, cualquier duda estoy a sus ordenes. Nota final: el circuito se montara en la base de robot que el lector construirá, la configuración es a tres ruedas o tipo Triciclo, no se aborda en esta edición la fabricación del mismo, la tracción se encuentra en el mismo eje de la rueda de dirección, razón por la cual se dividió el articulo en dos partes, en el próximo numero se darán las indicaciones y sugerencias para construir el móvil de carreras, la intención es construir primero el circuito y adaptar el móvil a las dimensiones de este, no al revés. Para aquellos que ya tienen idea de cómo construir el móvil podrán probarlo sin ningún problema. En el próximo numero

también daremos la sugerencia para usar el circuito en un sigue líneas de tracción diferencial para aquellos que no tienen experiencia y posteriormente lo evolucionen a carreras. Nos vemos en el próximo número. MATERIAL 1 Tarjeta para sensores 1 Tarjeta GABOTT1 IC - CNY70, 2 sensores. IC2 - LM324 IC1 – CD4093 IC3 – L293D R1 – 10kΩ , 3 de cada uno R2 - 220Ω, 2 de cada uno R3,– 10KΩ P1 - 10KΩ C1 – 0.1 uf. Header vertical 4X1 Header vertical 3x1, 2 2 Jumpers para header. Varios no incluidos Interruptor pequeño, Conectores varios, cables delgados, porta pilas, base de robot, etc.