Cols, Juan - Robot Móvil Esférico

Universidad Nacional Experimental Politcnica Antonio Jos de Sucre. Cols. Robot Mvil Esfrico.

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Sistema Robtico Mvil Esfrico con Capacidad de Telemetra y Posicionamiento por GeolocalizacinCols, Juan [email protected] Universidad Nacional Experimental Politcnica Antonio Jos de Sucre Vice-Rectorado Puerto Ordaz, Departamento de Ingeniera Electrnica ResumenLa robtica persigue la creacin de mquinas autnomas capaces de ejecutar tareas programadas con la mxima eficiencia energtica y economa computacional. Desde esta perspectiva la locomocin del robot es un punto crtico, y su morfologa determina los recursos computacionales y energticos del mismo. Esta investigacin presenta un sistema robtico mvil esfrico con capacidad de telemetra y posicionamiento por geolocalizacin, como alternativa viable a sistemas de locomocin tradicionales. Se desarroll una metodologa de tipo proyectiva. La electrnica del robot est representada por 5 mdulos: Control, Comunicacin, Sensores, Actuadores y Alimentacin. La teleoperacin se realiza mediante una aplicacin de computador multiplataforma desarrollada en Adobe AIR, que integra el servicio de Google Maps para la geolocalizacin. La comunicacin se establece mediante un enlace de radio de 868 MHz. Se prob la operatividad del sistema de forma satisfactoria. ndice de TrminosAIR, GPS, Robot Esfrico, Telemetra. AbstractRobotics pursues to create autonomous machines capable of running programmed tasks with maximum energetic efficiency and computational economics. From this perspective, the locomotion of the robot is a critical point, and its morphology determines the size of its computational and energetic resources. This research presents a spherical mobile robotic system capable of doing telemetry tasks and geolocation positioning, as a viable alternative to traditional locomotion systems. In order to accomplish this objective, the research was developed following a projective methodology. The electronics of the robot is represented by 5 modules: control, communications, sensors, actuators & power supply. Teleoperation is done through a multi-platform computer application developed in Adobe AIR, which integrates Google Maps service for geolocation. Communication is established by an 868 MHz radio link. The correct operation of the system was tested. Index TermsAIR, GPS, Spherical Robot, Telemetry.

muy diversas. Dentro de la categora de robots mviles existen sistemas con ruedas, orugas, bpedos, hexpodos e incluso podos. Cada una de estas morfologas involucra ciertas ventajas y desventajas con respecto a la velocidad de desplazamiento, complejidad de los algoritmos de control, costos y autonoma energtica del sistema [1]. Existe una arquitectura poco convencional, relativamente nueva y que an no ha sido explotada en gran medida desde el punto de vista prctico. Se trata de una morfologa esfrica para robots mviles. A pesar que es posible hallar desarrollo matemtico extenso acerca de los modelos cinemticas de este tipo de sistemas [2], la mayora de las aplicaciones prcticas se limitan a simples vehculos radio controlados destinados al entretenimiento. Con excepciones muy puntuales, son pocos los ejemplos de aplicaciones tiles en donde se use la arquitectura antes descrita. Por lo general, nos encontramos con sistemas carentes de elementos que permitan al operador conocer datos acerca del entorno en donde se encuentra el robot, o que permita programarlo para que realice una tarea especfica [3]. Motivados por lo planteado anteriormente, se desarrolla el diseo y ensamblaje de un sistema robtico mvil esfrico que permita al operador controlar al robot y visualizar de forma remota las magnitudes registradas por los sensores del mismo.

II. ASPECTOS GENERALES A. Descripcin general del sistema mecnico La mecnica del robot le brinda dos grados de libertad: sentido (hacia adelante o reversa) y direccin (norte-sur, esteoeste). Su estructura interna se muestra en la Fig. 1a. donde se resaltan sus principales componentes: bastidor, eje, contrapeso y servomotores. La generacin de locomocin se basa en la rotacin de una masa pendular para generar desplazamiento. Dicho pndulo est sostenido por un bastidor, el cual tambin sirve de soporte para las tarjetas electrnicas (como se muestra en la Fig. 1b). La rotacin del contrapeso se ejecuta mediante un motor DC conectado a una caja reductora, la cual genera el torque necesario para desplazar el pndulo. Dado que la

I. INTRODUCCIN

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A locomocin del robot suele ser un problema, debido a que las morfologas que solemos encontrar pueden ser


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mayora de la masa del sistema se concentra en el contrapeso, al rotarlo en una superficie regular el desplazamiento de su centro de masa mover el punto de contacto esfera-superficie y la gravedad causar que la esfera ruede hacia delante o hacia atrs. El cambio de direccin se logra haciendo girar el bastidor mediante los servomotores que lo soportan, de este modo, es posible dirigir la inclinacin del contrapeso. Otros mtodos para generar locomocin en este tipo de vehculos son descritos en [5]. El mtodo del pndulo fue elegido por ser sencillo de implementar desde el punto de vista mecnico y de control. Como desventaja, se tiene que es difcil cambiar de direccin mientras se est en movimiento.

(a) (b) Fig. 1. (a) Diagrama de la estructura mecnica interna del robot. (b) Vista frontal del bastidor, contrapeso y servomotores.

B. Descripcin general del conjunto electrnico El sistema electrnico del robot se dise siguiendo una arquitectura modular, lo cual permite aadir o suprimir funciones de acuerdo a nuestras necesidades. Adicionalmente, brinda mayor fiabilidad y flexibilidad al sistema, haciendo ms sencilla la localizacin de posibles fallas. Al conjunto electrnico se lo puede dividir en dos secciones: estacin base y sistema robtico remoto, las cuales se muestran en la Fig. 2.

de sockets mediante un puerto COM virtual funcionando sobre USB. El sistema robtico remoto est constituido por cinco mdulos electrnicos: control, comunicacin, sensores, actuadores y alimentacin. Cada uno de ellos identificados en el esquema de la Fig. 2. El mdulo de control contiene el microcontrolador (Propeller P8X32A) que recibir y procesar las seales de entrada y generar las respectivas seales de salida en concordancia con los requerimientos del sistema. Conectados al mdulo de control se encuentran los mdulos perifricos. Uno de ellos es el mdulo de sensores, constituido por un acelermetro de 3 ejes (Hitachi H48C), una brjula digital (Hitachi HM55B) y un sensor de temperatura y humedad relativa (Sensirion SHT11). Este mdulo brindar al robot capacidades de telemetra, permitindole al operador obtener informacin acerca del medio en que se encuentra el sistema remoto en un momento dado. En cuanto a la comunicacin del robot, se dise un mdulo que combina un receptor GPS y un modem RF o transceptor. El receptor GPS, basado en el chip Venus638FLPx, alcanza una sensibilidad de -165 dBm y permite conseguir una resolucin de hasta 2.5 m. El transceptor est representado por un XBee-PRO 868, el cual permite un enlace de comunicacin full-duplex de hasta 80 Km con lnea de vista y antenas de alta ganancia (de acuerdo con el fabricante [8]) operando a 868 MHz. Por ltimo, se encuentran el mdulo de actuadores y el mdulo de alimentacin. El primero, sirve de intrprete entre los actuadores y el mdulo de control, convirtiendo los comandos recibidos en valores de tensin y corriente adecuados para el manejo del motor DC y los servomotores. Finalmente, el mdulo de alimentacin brindar el suministro elctrico a cada mdulo. Posee cuatro salidas de tensin reguladas: 3.3V, 5V, 6V y 12V y es capaz de suministrar hasta 12A. La fuente elctrica proviene de 18 celdas tipo Li-Po.

III. DISEO A. Mdulo de Control Durante el proceso de diseo se tuvo como objetivo la creacin de una tarjeta de desarrollo, es decir, que no solo satisficiera las necesidades de control del robot si no que tambin sirviera de plataforma para otros proyectos futuros de aplicaciones especficas. El resultado de ello es una tarjeta electrnica verstil y prctica, que se muestra la Fig. 3. Cuenta con un puerto mini USB, el cual es usado para programar el microcontrolador mediante una conexin serial bajo USB. Esto se logra gracias al conversor serial-USB FT232 de la compaa FTDI. Tambin dispone de 17 puertos de E/S de propsito general, dos puertos RS-232 para comunicacin con dispositivos externos, una bocina piezoelctrica, un LED y la capacidad de generar seales de audio y video compuesto (NTSC o PAL) obtenidas en los conectores RCA denotados como AUDIO y VIDEO en la Fig. 3a. Como elemento central de procesamiento se encuentra el microcontrolador de

Fig. 2. Diagrama en bloques del sistema electrnico del robot.

La estacin base representa la herramienta que utilizar el operador para el control del robot y el despliegue de la informacin de sus sensores. Est constituida por una aplicacin con interfaz grfica de usuario desarrollada en Adobe AIR, un servidor de sockets escrito en C++ para Windows y un transreceptor conectado a la PC mediante un puerto USB. La funcin del servidor de sockets es servir de puente entre la aplicacin en AIR y el puerto USB, ya que la aplicacin por s sola no posee los recursos necesarios para acceder a los puertos del computador [6]. Los datos que recibe y transmite el transreceptor, fluyen desde y hacia el servidor


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32-bits Propeller P8X32A, cuya principal ventaja es su capacidad de ejecutar tareas en paralelo gracias a la integracin de sus 8 ncleos conocidos como Cogs [7]. Adicionalmente, dispone de una memoria EEPROM externa de 32 kB para el almacenamiento no voltil del programa principal. La tarjeta puede ser alimentada mediante la conexin a un puerto USB o a travs de un conector tipo Jack de 6.5 mm

(a) (b) Fig. 3. (a) Diseo de la cara superior de la PCB del mdulo de control. (b) Tarjeta ensamblada para el mdulo de control.

B. Software del Mdulo de Control El software del mdulo de control fue escrito en Spin, un lenguaje propietario de alto nivel y orientado a objetos. Si desea consultar el cdigo desarrollado haga referencia al Apndice de este artculo. En la Fig. 4 se muestra el diagrama de flujo general del programa encargado del control del robot, alojado en la memoria EEPROM del mdulo de control.INICIALIZACIN Config. Freq. Oscilador Definicin de Constantes Declaracin VAR Globales Instanciacin de Objetos Init. Driver Sensor SHT11 Init. Comunicacin Xbee Init. Comunicacin RS-232 Init. Com. Actuadores Init. Posicin Servos Esperar Conexin Transmitir XBee jj/error_conexion/cc Recibir Cadena Titilar LED

oscilador externo, definiendo constantes (pines a los cuales estn conectados cada perifrico, caracteres especiales, parmetros, etc.), declarando las variables globales e instanciando los objetos a utilizar durante el programa. Una vez hecho esto, se inicializan los objetos encargados de la comunicacin con el XBee, el puerto RS-232, mdulo de actuadores, entre otros. Luego de haber inicializado los perifricos, se espera indefinidamente por la peticin de conexin por parte de la aplicacin de telecontrol. Esta peticin se representa con la transmisin de la cadena: jj/conectar/cc. La jj indica el inicio de una cadena de telecontrol y la cc el fin de dicha cadena. Estos caracteres son utilizados para distinguir una cadena de otra y para el manejo y control de errores. A continuacin es validada la cadena recibida y se transmite un comando de reconocimiento indicando si la conexin fue exitosa o no, esto se representa por las cadenas: jj/conectado/cc y jj/error_conexion/cc respectivamente. Una vez establecida la conexin con la aplicacin, el robot esperar la recepcin de una cadena de control hasta que se haya cumplido el tiempo de Timeout (especificado como 5 segundos dentro del programa). En caso de no recibir otra cadena antes que dicho tiempo se cumpla, el microcontrolador reiniciar la conexin. En caso contrario, se ejecutarn dos rutinas de forma paralela: la transmisin de la data de los sensores desde el robot hasta la estacin base, y el procesamiento y ejecucin de la cadena de control por parte del robot. C. Mdulo de Comunicacin La tarjeta diseada para el mdulo de comunicacin se muestra en la Fig. 5. Se desarroll como interfaz entre el receptor GPS, el XBee-PRO 868 y el mdulo de control. Se alimenta con tensiones de 3.3V y 5V. Cuenta con dos conectores para la interfaz va serial con el microcontrolador, estos son Tx y Rx para la comunicacin con el mdulo GPS, y DOUT y DIN para la comunicacin con el XBee. Un LED indica cuando la tarjeta se encuentra encendida. Para aumentar la sensibilidad de recepcin de la seal del GPS, se utiliza una antena de 26 dB de ganancia y conector SMA, descrita en [9].

NO

jj/conectar/cc ?

SITransmitir XBee jj/conectado/cc Detener Titilar LED Recibir Cadena De Control

Enviar Data de Sensores

Procesar Cadena

SI TimeOut ?

NO

(a) (b) Fig. 5. (a) Cara superior de la PCB del mdulo de comunicacin. (b) Tarjeta ensamblada para el mdulo de comunicacin.

Fig. 4. Diagrama de flujo del software del mdulo de control.

El programa inicializa configurando la frecuencia del

La tarjeta es capaz de suministrar sentencias del estndar NMEA-0183 [10] a una frecuencia configurable desde 1 Hz hasta 20 Hz, y a una velocidad de transmisin configurable


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desde 9600 bps hasta 115200 bps. Ms informacin sobre el receptor GPS y sus caractersticas tcnicas puede ser encontrada en [11]. D. Mdulo de Sensores Esta tarjeta dota al robot con la capacidad de telemetra. Integra 3 sensores: acelermetro de 3 ejes (Hitachi H48C), una brjula digital (Hitachi HM55B) y un sensor de temperatura y humedad relativa (Sensirion SHT11) vistos en la Fig. 6b. Su electrnica es sencilla pues sirve simplemente como interfaz entre el mdulo de control y los sensores. La data de cada sensor es obtenida por medio de una comunicacin serial sncrona, donde cada sensor posee su protocolo propio. Se alimenta con tensiones de 3.3V y 5V. La flecha blanca ubicada en la parte superior de la Fig. 6b indica la direccin de referencia de la brjula. El valor que se obtiene de la brjula indica el ngulo (en grados) que se forma entre esta flecha y el norte magntico siguiendo un sentido horario.

cabo por medio del microcontrolador PIC16F684, el cual cuenta con el hardware necesario para este propsito (mdulo PWM mejorado con Auto-Shutdown y banda muerta). Para el control de los servos se utiliza la tarjeta controladora de servos Pololu mini SSC. Esta tarjeta es capaz de generar hasta 8 PWM de manera simultnea para el control de 8 servos de forma independiente. La posicin de cada servo se establece mediante comandos enviados a la tarjeta va serial, utilizando un protocolo propio. Esta tarjeta se encuentra integrada en el mdulo de actuadores y puede ser localizada en la Fig. 7a con la denotacin U2. Se recomienda la lectura de [12] para ampliar la informacin acerca de mtodos de activacin de MOSFET en puente H.

(a) (b) Fig. 7. (a) Cara superior de la PCB del mdulo de comunicacin. (b) Tarjeta fabricada ensamblada para el mdulo de comunicacin.

(a) (b) Fig. 6. (a) Cara inferior de la PCB del mdulo de sensores. (b) Tarjeta fabricada ensamblada para el mdulo de sensores. TABLA I CARACTERSTICAS TCNICAS DE LOS SENSORES Sensor Caractersticas Medida de 3g en cualquiera de Acelermetro de 3 Ejes los ejes. Regulador de tensin y Hitachi H48C ADC 12-bits incorporado. Comunicacin SPI. Salida de cada libre (0g). Alimentacin 5V. Sensible variaciones de T. Medicin del campo magntico en Brjula Digital dos ejes. Resolucin 11-bits con Hitachi HM55B signo. Comunicacin serial sncrona. Tiempo de lectura de 40 ms. Alimentacin de 5V. Temperatura y Humedad Resolucin de 0.05% RH (12 bits) Relativa Sensirion SHT11 y 0.01C (14 bits). Comunicacin serial sncrona. Alimentacin 3.3V

El software que ejecuta el microcontrolador PIC16F684 para el control de la velocidad y sentido del motor DC, se basa en la recepcin de 4 cadenas de caracteres: ENCENDER, ADELANTE, REVERSA y n donde n es un valor comprendido entre 0 y 1023 que determina la velocidad. El diagrama de flujo del programa se muestra en la Fig. 8.INICIALIZACIN Inicializacin de Puertos Definicin de Constantes (cadenas char. de comnds) Config. PWM de 244Hz Dead band 50s Duty Cycle = 0

Esperar Cadena Recibir Cadena ENCENDER Si PWM On DC No cambia ? No No ADELANTE ? No Cadena Entero No REVERSA ? Si PWM RVS DC No cambia Si PWM FRW DC No cambia

Ajustar Velocidad DC Entero

Como resumen se muestran las caractersticas tcnicas ms resaltantes de cada sensor: resolucin, mtodo de comunicacin, tensin de alimentacin, entre otras. Estas se exponen en la Tabla I. E. Mdulo de Actuadores Se dise una tarjeta electrnica capaz de manejar el motor DC y los dos servomotores [13] del sistema mecnico. El control del motor DC se ejecuta por medio de un puente H formado por MOSFET canal-N (IRF1407). A su vez el control de encendido y apagado de cada MOSFET se lleva a

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