Proyecto fin de carrera. ingeniería...

Blas Blanco Mula PROYECTO FIN DE CARRERA. INGENIERÍA INDUSTRIAL

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Proyecto de Fin de Carrera

Departamento de Ingeniería mecánica y de los materiales

Desarrollo, instrumentación y construcción de un vehículo

radiocontrolado para la medida de irregularidades del terreno

mediante sensores inerciales

Autor: Blas Blanco Mula

Tutor: José Luis Escalona Franco

Fecha: 10 de Septiembre 2014


2

1. Introducción .......................................................................................................................... 4

2. Antecedentes ........................................................................................................................ 5

2.1. LA AUSCULTACIÓN DE VIAS ........................................................................................... 5

2.2. DEFICIENCIAS Y POSIBLES MEJORAS ............................................................................. 6

2.3. OBJETIVOS DEL PROYECTO DE EXCELENCIA .................................................................. 8

3. Fundamento teórico .............................................................................................................. 9

4. Componentes ...................................................................................................................... 14

4.1. Mbed LCP1768 ............................................................................................................ 14

4.2. Arduino Fio .................................................................................................................. 15

4.3. Módulos Xbee ............................................................................................................. 17

4.3.1. Configuración de las radios Xbee ........................................................................ 19

4.4. Puente H ...................................................................................................................... 21

4.5. Motores ....................................................................................................................... 21

4.6. Accesorios ................................................................................................................... 23

4.7. Chasis ........................................................................................................................... 23

4.8. Pantalla LCD................................................................................................................. 24

4.9. Joystick ........................................................................................................................ 24

4.10. Puerto USB .............................................................................................................. 24

4.11. Fuentes de alimentación ......................................................................................... 25

5. Montaje ............................................................................................................................... 25

5.1. Conexiones Radio Control ........................................................................................... 25

5.2. Conexiones Rover ........................................................................................................ 29

5.3. Montaje final ............................................................................................................... 32

6. Código del Radiocontrol ...................................................................................................... 35

6.1. Compilador arduino .................................................................................................... 35

6.2. Flujo de información ................................................................................................... 36

6.2.1. Flujo de información entrante ............................................................................ 36

6.2.2. Flujo de información saliente .............................................................................. 36

6.3. Funcionamiento del mando radio control .................................................................. 36

6.3.1. Joystick ................................................................................................................ 36

6.3.2. Protocolo de comunicación ................................................................................. 37

6.3.3. Pantalla ................................................................................................................ 37

6.3.4. Consideraciones importantes a la hora de utilizar .............................................. 38

7. Código del rover .................................................................................................................. 44


3

7.1. Compilador mbed ........................................................................................................ 44

7.2. Flujo de información ................................................................................................... 45

7.3. Funcionamiento del software del rover ...................................................................... 45

7.3.1. Obtención de la información ............................................................................... 45

7.3.2. Cambio de velocidad ........................................................................................... 46

7.3.3. Giro ...................................................................................................................... 46

7.3.4. Medición de velocidad ........................................................................................ 46

7.3.5. Control de velocidad ........................................................................................... 47

7.3.6. Envío de información .......................................................................................... 48

7.3.7. Almacenamiento de información ........................................................................ 49

7.3.8. Acelerómetros ..................................................................................................... 49

8. Costes .................................................................................................................................. 60

9. Conclusión ........................................................................................................................... 60

10. Bibliografía ...................................................................................................................... 61


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1. Introducción

Este Proyecto de Fin de Carrera, ha tenido como objetivo la construcción

de un rover teledirigido, que cumpliese una serie de requisitos, relacionados

con la función para la que fue diseñado, la auscultación de superficies.

El objetivo a cumplir era satisfacer una necesidad de un grupo de

investigación del Departamento de Mecánica de la Escuela Superior de

Ingenieros de Sevilla, la construcción de un rover teledirigido con capacidad

para auscultar, que sirviese como plataforma para desarrollar un software que

posteriormente se aplicaría sobre un vehículo ferroviario a escala.

Aprovechando la oportunidad que brindaba esta necesidad, se decidió ofertar

este proyecto el cual venía a cumplimentar la formación como ingeniero

mecánico del autor, mediante el uso de acelerómetros y microprocesadores,

los cuales le permitieron adquirir unos conocimientos básicos sobre

mecatrónica muy preciados hoy día en el ámbito de la ingeniería mecánica.

La construcción del rover se llevo a cabo siguiendo en cierta manera la

filosofía DIY (Do it yourself), que inspira hoy día la utilización de

microprocesadores. Todos los componentes que se utilizaron en la

construcción del rover fueron adquiridos de forma individual, respondiendo a

las necesidades que se presentaron a lo largo del proceso de montaje. Por otro

lado, el software incorporado en los microprocesadores, fue creado en parte

desde cero ad hoc con los requerimientos funcionales, y otras partes del mismo

fueron obtenidas directamente desde plataformas de software libre, y

adaptadas para ser operativas en nuestro proceso.

No se pretende por lo tanto con este proyecto la creación de una

solución única para un determinado problema, de hecho, es probable que una

persona más familiarizada con el uso de estos dispositivos y con la

programación, encuentre no del todo eficiente el uso que se ha hecho de los

mismo, pero si responde a unos requerimientos determinados, y abre la

posibilidad a futuras mejoras por parte de otros alumnos interesados.

En lo siguiente, se procederá a comentar los antecedentes que han

motivado la realización del proyecto, vinculados con al desarrollo de

tecnologías a tiempo real de auscultación. Se continuará describiendo los

componentes que se han utilizado en el proyecto así como su ensamblaje y se

llevará a cabo una descripción detallada del software creado para su correcto

funcionamiento.


5

2. Antecedentes

Este proyecto se desarrolla dentro del marco de trabajo del Proyecto de

Excelencia Motriz “Desarrollo de nuevas tecnologías de auscultación de vías

ferroviarias basadas en la simulación dinámica en tiempo real”. Este proyecto

tiene como objetivo el desarrollo de “nuevas tecnologías basadas en el

modelado matemático de vehículos y su simulación dinámica en tiempo real

para mejorar la calidad de la información que se obtiene en el proceso de

auscultación”. A continuación se procede hacer una breve descripción de las

motivaciones que han llevado a la realización del Proyecto de Excelencia en el

que se encuadra este Proyecto de Fin de Carrera.

Estos modelos matemáticos son generados mediante la Dinámica de

Sistemas Multicuerpos y se pretende que sean suficientemente eficientes como

para que puedan resolverse en tiempo real. La auscultación en tiempo real

permitiría mejorar el proceso de auscultación en varios aspectos:

1. Obtención de una información completa de la cinemática y dinámica del

vehículo auscultador en cualquier instante.

2. Estimación de la cinemática y dinámica que tendrían vehículos distintos

al auscultador viajando por la misma vía.

3. Consideración de la receptacina de distintos vehículos en la evaluación

de la longitud de onda de las irregularidades de la vía.

4. Estimación de las fuerzas de contacto rueda- carril.

2.1. LA AUSCULTACIÓN DE VIAS

Durante la auscultación de vías con vehículos laboratorio, de registro o

auscultadores se mide la geometría de los carriles y de la catenaria. Existen

dos tipos de medidas: geométricas y dinámicas. Las geométricas miden las

desviaciones con respecto a una geometría de referencia de los carriles y del

hilo de la catenaria. Las dinámicas miden la respuesta dinámica del vehículo

ante dichas irregularidades. El resto de esta memoria se refiere a la

auscultación de vías.

Los defectos de los carriles se clasifican por las desviaciones de la

geometría de estos de acuerdo a los siguientes parámetros:

Alineamiento.

Nivelación.

Ancho de vía.

Perfil vertical.

Peralte.


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Alabeo (Ritmo de cambio de la nivelación de los carriles).

Desgaste del perfil.

La auscultación geométrica se realiza utilizando las siguientes

tecnologías:

Medidas con láser.

Videograbación y análisis digital de imagen.

DGPS (differential GPS)

Ultrasonidos.

Registro de arcos eléctricos.

Sensores de proximidad.

Pinturas spray.

La auscultación dinámica se realiza usando las siguientes tecnologías:

Acelerómetros .

Giróscopos.

2.2. DEFICIENCIAS Y POSIBLES MEJORAS

Para comprender las deficiencias

del proceso actual de auscultación de

vías y las posibles mejoras que se

pueden desarrollar es necesario

introducir la respuesta dinámica de

vehículos ferroviarios ante la irregularidad

geométrica. La siguiente figura 1 [1]

muestra la receptancia de un vehículo

ferroviario sobre una vía deformable

obtenida mediante un modelo

computacional. La receptacia muestra la

amplitud de las oscilaciones del vehículo

y la vía ante excitaciones de distintas

frecuencias. La excitación puede ser, por

ejemplo, los defectos de la vía. La

frecuencia de la excitación (f) está

relacionada con la amplitud de onda de

los defectos de la vía ( ) mediante la

relación , donde es la velocidad de avance del vehiculo.

Figura 1. Receptacia vehículo-vía


7

La receptancia muestra frecuencias de resonancia (máximos relativos) y

de antiresonancia (mínimos relativos). Excitaciones debidas a los defectos en

frecuencias de resonancia o antiresonancia dan lugar a marcha peligrosa o

inconfortable. En el caso de las resonancias, por las altas amplitudes de

vibración se producen en el caso de antiresonancias, por los altos niveles de

fuerzas de contacto dinámicas (osicilaciones de la fuerza de contacto con

respecto a los valores estáticos) que aparecen. Las oscilaciones del vehículo

pueden a su vez aumentar la amplitud de los defectos en un fenómeno

retroalimentado, no del todo comprendido, que se da lugar a la corrugación de

carriles.

A continuación se mencionan algunos defectos del proceso de

auscultación de los carriles o de evaluación de los defecto y posibles mejoras

que se podría realizar utilizando dinámica computacional.

En el proceso de auscultación de vías con vehículos laboratorio

no se puede medir la fuerza de contacto rueda carril. Se usan en

algunos casos ejes dinamométricos, pero su uso no es extendido

y la medida de fuerzas son sólo válidas por debajo de la

frecuencia natural del eje.

Los límites permitidos para los defectos geométricos tienen muy

poco en cuenta la amplitud de onda de los defectos.

Los límites permitidos para los defectos geométricos no tienen en

cuenta la receptancia de los vehículos que pueden circular por

dicha vía.

La receptancia del vehículo laboratorio no tiene que coincidir con

la d otros vehículos comerciales que viajen por la misma vía. Por

tanto el vehículo laboratorio puede mostrar un comportamiento

dinámico normal mientras que otro vehículo con otras

características puede mostrar un marcha peligrosa o inconfortable

sin que sea detectado por el proceso de auscultación.

El proyecto propone el uso de la simulación computacional junto con

medidas de irregularidad obtenidas mediante auscultación para la validación de

nuevos diseños de vehículos ferroviarios.

En la actualidad el campo de la instrumentación en Ingeniería Mecánica

está experimentando un gran avance por el tremendo descenso de precio de

los sensores y el auge de los MEMS (micro-electro-mechanical systems). El

proyecto se basa en la utilización del filtrado de Kalman, el cual aporta la

tecnología necesaria para obtener el estado de un sistema a partir de un

conjunto incompleto de medidas experimentales. En este sentido algunos

estudios [2] han conseguido la monitorización continua de vehículos

ferroviarios basado en la simulación dinámica. Utilizando el filtrado de Kalman


8

consiguen evaluar en tiempo real una estimación del perfil de la rueda y el carril

y del coeficiente de fricción entre ambas superficies para detectar zonas de

baja adhesión donde son necesarias largas distancias para la freanada.

Por otro lado también pretende servirse de estudios como el de Smith y

Wu [3] que proponen combinar medidas de desplazamiento, precisas para baja

frecuencia, y aceleración, precisas para alta frecuencia, para obtener datos de

desplazamiento de alta precisión utilizando filtrado de Kalman multicanal.

Por otro lado ya se han realizado estudios que llevan a cabo

simulaciones en tiempo real realizada de forma on-line como sistema de apoyo

a la auscultación geométrica Bonaventura et al. [4]. Su sistema puede realizar

simulaciones del comportamiento de 80 vehículos en paralelo con l proceso de

auscultación utilizado como input el resultado de la auscultación geométrica.

Con esto se consigue un sistema inteligente que permite detectar zonas de

riesgo para el ferrocarril. Los modelos de simulación que se muestran en este

trabajo son lineales y muy simplificados, pudiéndose utilizar modelos más

avanzados que permitan la simulación en tiempo real.

2.3. OBJETIVOS DEL PROYECTO DE EXCELENCIA

El proyecto pretende desarrollar técnicas basadas en la simulación

dinámica que mejoren el proceso de auscultación de vías que realizan las

administraciones de infraestructuras ferroviarias. Concretamente, las nuevas

técnicas consistirían en:

1. Utilización de la simulación en tiempo real de las ecuaciones del

vehículo auscultador para obtener información completa y fiable de la

respuesta dinámica del vehículo. Con esto se podrán obtener de

forma indirecta parámetros fundamentales del comportamiento del

vehículo como las fuerzas rueda-carril en cualquier eje.

2. Simulación en tiempo real durante el proceso de auscultación de la

respuesta dinámica de vehículos distintos, del auscultador utilizando

como input los resultados de la auscultación geométrica.

3. Desarrollo de una metodología de cálculo de receptancias de

distintos vehículos ferroviarios que permitan identificar resonancias y

antiresonancias para mejor la labor de mantenimiento de vías

ferroviarías.

Las mejoras que introducen estas técnicas en el proceso de

auscultación de vías se resumen como sigue:

1. Una mejor estimación de las amplitudes admisibles en cada longitud

de onda de la irregularidad de la vía teniendo en cuenta la respuesta

dinámica de los distintos vehículos que pueden circular por ella.


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2. Cálculo indirecto de fuerzas de contacto rueda carril sin utilizar ejes

dinanométricos.

3. Estimación en tiempo real durante el proceso de auscultación de la

respuesta dinámica de vehículos distintos del auscultador.

3. Fundamento teórico

El problema del rover se planteará como un sistema de dos grados de

libertad (desplazamiento vertical y giro), al cual se le imponen un

desplazamiento en la base asociado al perfil de la superficie que recorre el

rover. Los datos que podemos obtener del sistema son la aceleración vertical y

la velocidad angular, y debemos plantear las ecuaciones que proporcionen la

función de transferencia entre estos parámetros y el desplazamiento vertical.

Para realizar el modelado del problema es fundamental que la velocidad

del coche sea constante, para así relacionar el desplazamiento vertical de la

base con el perfil de la superficie.

Figura 2 Planteamiento del problema

Objetivo: Se pretende calcular el perfil de un terreno, al que

denominaremos ( ).

Datos:

- ( ) Medida acelerómetro

- ( ) Medida del giróscopo

Tomamos como hipótesis:

- = cte

- Neumáticos rígidos. Vehículo sin suspensión

Ecuaciones:


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( ) ( )

( )

( ( ) ( ) ( )

Aceleración:

⏟

( )

( ( ) ( )) ( )

Velocidad angular:

( )

( ( ) ( )) ( )

Aceleración:

Suponemos: ( ) (

)

(Distribución senoidal de irregularidades)

( ⁄ )

( ) ( )

( )

( ( ) ( ))

( ( ))

( )( )

( )

⏟ ( )

( )

( ) ( )

( )

( )

( )

| ( )|

√

√

√


11

| | ( )

( ) | ( )|

Estas serían las frecuencias espaciales que inducirían los modos de

vibración del coche.

Velocidad angular

( )

( ( ))

( )

( )

⏟ ( )

( )

Figura 3 R1

Figura 4 Función de transferencia T1


12

( )

[ ]⏟

( )

( )

[ ]

[ ]

[ ( )]

| ( )|

√

√

√

| ( )|

( ) | ( )|

Representación de la función de transferencia según lo calculado

anteriormente.

Cálculo de la ( ) mediante la transformada de Fourier

( ) [ ( )] ( ) [ ( )] ( ) [ ( )]

Figura 5 R2

Figura 6 Función de transferencia T2


13

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

A partir de ( ) acelerómetro:

( ) ⁄

→ ( ) → ( )

( )⁄

→ ( ) → ( )

A partir de ( ) giróscopo:

( ) ⁄

→ ( ) → ( )

( )⁄

→ ( ) → ( )

Fusión de sensores:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ( )]

Donde

( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

} ( )

Las funciones de ponderación dependerán de las características del

sistema, dependiendo de éstas de la misma forma en que lo haría un sistema

de 2 gdl de la rigidez y la masa.

Características de estas funciones de ponderación:

| ( )| | ( )|

| ( )| {

| ( )| {


14

4. Componentes

4.1. Mbed LCP1768

Los dispositivos mbed son unos uno microcontroladores ARM (Advanced

RISC (Reduced Instruction Set Computer) Machine) diseñados para realizar

tareas de programación rápida.

El microcontrolador mbed NXP LPC1768 está especialmente diseñado para

modelar todo tipo de dispositivos, especialmente aquellos que incluyen

Ethernet, USB, para controlar una gran cantidad de sistemas de comunicación

periféricos, y sistemas de memoría FLASH. Se encuentra encapsulado en

forma DIP (Dual in-line), con perforaciones en la placa PCB, e incluye un puerto

USB que permite programar el microprocesador. (mbed.org)

Figura 7 mbed

Figura 8 Esquema conexiones mbed


15

El microprocesador está formado por un procesador tipo 32-bit ARM Cortex-

M3 que funciona a 96 MHz. También incluye una memoria FLASH de 512 KB

de capacidad, 32 KB RAM y varios sistemas de comunicación como Ehternet,

puerto USB, CAN, SPIm I2C, ADC DAC PWM y pines I/O. El esquema de pines

es el siguiente:

En este esquema podemos apreciar la posición normal de los pinos. Es

necesario tener en cuenta que los pines numerados entre (p5-p30) pueden ser

usados también como pines DigitalIn y DigitalOut.

El microprocesador mBed tiene una alta capacidad de procesamiento, con

lo que su uso en el coche resulta ideal, dado el alto número de dispositivos que

se han de controlar (Xbee, puerto H, encoders, acelerómetro y Jack USB)

4.2. Arduino Fio

Figura 9 Arduino Fio. Se aprecia a la derecha la radio Xbee

El Arduino Fio está diseñado para aplicaciones inalámbricas. Por esta razón

incluye un zócalo especialmente adaptado para incorporar un dispositivo de

radiotransmisión Xbee. En el caso del Arduino UNO es necesario incluir un

Shield adaptador, con el consecuente consumo de espacio y de energía.

Es una placa para microcntrolador que incorpora como componente

principal el microprocesador ATmega328P. Funciona a 3.3V y 8 MHz.

Incorpora 14 pines I/O de carácter digital y 8 entradas analógicas. La tabla que

resime sus propiedades es la siguiente:


16

Microcontrolador ATmega328P

Voltaje de operación 3.3 V

Voltaje de entrada 3.35 – 12 V

Pines digitales 14 (6 de ellos proporcionan salida PWM)

Pines analógicos 8

Corriente DC por I/O pin 40 mA

Memoria Flash 32 KB

SRAM 2 KB

EEPROM 1 KB

Clock Speed 8 MHz

Como sistema de alimentación puede funcionar con baterías de polímero de

Litio ya que incluye las conexiones pertinentes o bien alimentado mediante una

conexión mini USB, la cual a diferencia de la mBed no puede ser utilizada para

programar el microprocesador. También puede ser alimentado mediante un

conector FTDI. Para programarlo es necesario usar un adaptador FTDI.

Cada uno de los 14 pines digitales en la Fio pueden ser usados como un

input o output, usando las siguientes funciones: pinMode(), digitalWrite() y

digitalRead(). Estos pines operarán a 3.3 V, y pueden suministrar o recibir una

corriente máxima de 40 mA.

La siguiente figura incorpora una descripción de los distintos pines del

Arduino Fio

Figura 10 Descripción detallada de la placa del Arduino Fio


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El arduino fio será utilizado como el microprocesador encargado de

controlar el mando a distancia, con lo que su pequeño tamaño facilita un diseño

más compacto.

4.3. Módulos Xbee

XBee es el nombre que reciben una serie de dispositivos de radio

fabricados por Digi International. Estos módulos son una forma relativamente

sencilla de operar inalámbricamente. Proporcionan dos tipos de comunicación:

Transmisión serial transparente (modo AT) y el modo API que se usa en

diseños avanzados. El modo a AT se utiliza para arquitectura de redes punto a

punto, mientras que el modo API se utiliza para comunicación punto a multi

punto o en una red mesh. (digi.com)

Existen 2 series de estos módulos. La serie 1 y la serie 2 o también

conocida como 2.5. Los módulos de la Serie 1 y la Serie 2 tienen el mismo pin-

out, sin embargo, NO son compatibles entre sí ya que utilizan distintos chipset

y trabajan con protocolos diferentes.

La serie 1 está basada en el chipset Freescale y está pensado para ser

utilizado en redes punto a punto y punto a multipunto. Los módulos de la serie

2 están basados en el chipset de Ember y están diseñados para ser utilizados

en aplicaciones que requieren repetidores o una red mesh. Ambos módulos

pueden ser utilizados en los modos AT y API. En nuestro caso usando el modo

AT podremos poner en funcionamiento el rover.

Figura 11 Distintas roles de los Xbee

Según el modelo de radio Xbee, el radio de acción de estos puede ir entre

100 m hasta 1 km, para nuestra aplicación un radio de acción de 100 m resulta

suficiente. Por este motivo se ha elegido la radio Xbee S2 con antena. La tabla

de características del dispositivo es la siguiente


18

Ratio máximo de información 250 kbps

Banda de frecuencia 2.4 GHz

Potencia de transmisión 2 mW output

Antena Incorporada

Pines digitales I/O 8

Entradas ADC 10-bit

Alcance (Espacio abierto) 130 m

A continuación se muestra un esquema de los pines que forma una Xbee

S2, modelo utilizado en el proyecto, para su conexión con la placa mbed solo

serán utilizados los pines Serial (Data in y Data Out) y los de pines de

alimentación (GND y VCC)

Figura 12 Esquema conexiones xbee

El protocolo de comunicación usado por las radios Xbee es el IEEE

802.14.5. Es alimentada a 3.3V y el espaciamiento entre pines es menor (2

mm), por este motivo para la Xbee asociada a la mbed, será necesario el uso

de una placa adaptadora. También será necesario utilizar un adaptador, con

conexión USB para poder configurar las radios.

Figura 14 Adaptador Xbee-USB

Figura 13 Adaptador Xbee pines


19

4.3.1. Configuración de las radios Xbee

La configuración de la radios se llevo a cabo mediante el programa X-CTU,

facilitado por Digi International.

El primer paso necesario para programar las radios, es proceder a su

identificación:

1. Accedemos a la pestaña PC Settings.

2. Seleccionamos el puerto USB al cual se encuentra conectado el

adaptador que porta la radio Xbee.

3. Se pulsa el botón Test/Query.

Nota: en ciertas ocasiones este procedimiento no es funciona, y se hace

necesario re intentarlo, pero realizando un contacto momentáneo entre

el pin Reset y el GND.

Figura 15 Configuración Xbee Rover


20

De realizar este proceso se obtuvo que nuestras radios eran de dos

modelos distintos, XB-24B y XB-24ZB, siendo el último modelo algo más

moderno. El problema se soluciono configurando el modelo XB-24B como un

modelo XB-24ZB. El modelo XB-24B se conectó en mando radiocontrol y el

modelo XB-24ZB se fue conectado en el rover. A continuación se muestra la

interfaz del programa X-CTU y la configuración que se dio a cada radio.

Los valores que se tomaron fueron los asociados por defecto a la

función, End Device AT o Coordinator AT.

Figura 16 Configuración Xbee Radiocontrol


21

4.4. Puente H

Un puente H es un circuito electrónico que permite a un motor eléctrico DC

girar en ambos sentidos, avance y retroceso. En nuestro caso el puente H lo

formaba un circuito integrado. Para controlar el puente H se utilizo un software

disponible en la página de mbed que toma como referencia de velocidad

valores normalizados entre -1 y 1. Lo que quiere decir esto es que el puente H

dejará pasar al motor el 100 % de la carga de las baterías, si el valor de esta

velocidad es -1 ó 1, diferenciándose en cada caso el sentido de la corriente a la

hora de atravesar el motor.

Figura 17 Puente H similar al usado

4.5. Motores

Los motores utilizados son motores de corriente continua y engranajes

metálicos. El fabricante es Pololu, se eligieron por incluir un enconder de efecto

Hall de canal doble. Las características técnicas del motor son las siguientes:

Tamaño 37D x 64L mm

Peso 213 g

Diámetro del eje 6 mm

Reducción 30:1

Velocidad eje libre (6 V) 175 rpm

Velocidad eje libre (12V) 350 rpm

Par en el eje (6 V) 4 kg cm

Par en el eje (6 V) 8 kg cm


22

Figura 18 Motor usado con la rueda acoplada

El encoder funciona por el efecto Hall y esta formado por dos canales. El

encoder esta diseñado para la sentir la rotación de un disco magnético solidario

al eje del motor. El encoder nos proporciona una resolución de 64 pasos por

revolución del eje del motor cuando contamos ambos canales. En nuestro caso

solo utilizaremos un canal, con lo que contaríamos con 32 pasos. Dado que la

relación de reducción del motor es 29:1, el número de pasos por cada

revolución en la rueda es de 928.

A continuación se muestra cuales son las conexiones del motor, en función

del color del cable:

Rojo Alimentación del motor (conectado al terminal de un motor)

Negro Alimentación del motor (conectado al otro terminal del motor)

Verde GND encoder

Azul Encoder Vcc (3.5 – 20 V)

Amarillo Encoder Salida canal A

Blanco Encoder Salida canal B

La tensión de salida del encoder será algo inferior a la alimentación, con

lo que no se puede alimentar a tensiones altas en primer lugar, porque el pin

I/O no interpretará la señal, y en segundo lugar puede dañar el

microprocesador.

Figura 19 Vista del encoder del motor


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4.6. Accesorios

A la hora de realizar el montaje fue necesario utilizar varios accesorios

suministrados por Pololu:

- Ruedas de 9 cm: Las ruedas fueron elegidas de este tamaño porque

nos permitiría alcanzar velocidades máximas de 1.65 m/s , aunque

posteriormente bajo carga esta velocidad quedo reducida a 1.4 m/s.

Esta velocidad se consideró más que suficiente para que el coche

registrase la excitación necesaria por parte del relieve de la

superficie. Las ruedas utilizadas son muy similares a las mostradas

anteriormente.

- Adaptador para ejes de 6 mm: Fue necesario para acoplar la rueda

con el eje.

- Soporte para motores 37 D mm: Fue necesario utilizar soportes para

unir de forma segura el motor al chasis del rover.

4.7. Chasis

El chasis utilizado fue es bastante similar

al mostrado en la imagen, en un principio este

chasis estaba pensado para portar motores con

engranajes de plástico, pero la baja velocidad de

éstos y la imprecisión a la que estaban sujetos a

la hora de medir su velocidad, provocó su

sustitución por parte de los motores

anteriormente citados. Se decidió aprovechar el

chasis, al ser de una aleación de aluminio, ligera

y resistente. Para que los motores cupiesen fue

necesario invertir la posición natural del chasis.

Figura 20 Adaptadores eje Figura 21 Soportes de motor

Figura 22 Chasis Rover


24

4.8. Pantalla LCD

La pantalla utilizada fue una pantalla Nokia

LCD 5110. La pantalla tienen unas dimensiones

de 4.5 cm x 4.5 cm. Y una resolución de 84 x 48

píxeles, la comunicación entre el Arduino y la

pantalla LCD es de tipo SPI, por lo que se

controla con muy pocos pines. Para representar

textos hicimos uso de la librería desarrollada por

Adafruit.

4.9. Joystick

El joystick funciona gracias a dos (uno

para cada eje) potenciómetros que en función del

ángulo girado por el vástago cambiarán su

tensión de salida. La alimentación es de 3.3 V.

Para una posición neutra la tensión de salida será

1.15 V, pasando a ser 0 ó 3.3 V cuando se

mueve el vástago. También incorpora que un

pulsador que fue utilizado como orden de parada.

La señal del joystick debe ser conectada a los

pines analógicos del microprocesador.

4.10. Puerto USB

Si se quisiese almacenar un recorrido

largo, la capacidad de almacenamiento del

microporcesador podría resultar ser insuficiente.

Por este motivo se optó por incorporar un puerto

USB y así poder conectar cualquier tipo de

dispositivo de almacenamiento masivo,

eliminando así el problema del almacenamiento

de datos.

Figura 23 Pantalla LCD

Figura 24 Joystick

Figura 25 USB Jack


25

4.11. Fuentes de alimentación

Las fuentes de alimentación fueron pilas

alcalinas AA de 1.5 V, para el caso del mando radio

control, y baterías LiPo de 3.7 V, para alimentar el

coche (motores y mbed). En ambos casos se

dispusieron tres celdas en serie.

Las abreviatura LiPo hace referencia a

polímero Ion-Litio. Se componen generalmente de

varias células secundarias para aumentar la

capacidad de la corriente de descarga. Una

precaución importante a la hora de utilizar baterías

LiPo es el evitar que se produzca un cortocircuito,

dado que este puede llevar a la explosión de las

baterías Tal y como fueron adquiridas fue necesario

realizar una conexión manual de las tres celdas en

serie, cada vez que hubieron de ser recargadas. Para

recargarlas se usaron tanto cargadores USB como

cargadores alimentados por corriente doméstica

5. Montaje

5.1. Conexiones Radio Control

Las conexiones del radio control se hicieron siguiendo el siguiente

esquema.

Figura 26 Bateria LiPo y cargador USB

Figura 27 Cargador toma doméstica

Figura 28 Esquema conexiones radiocontrol


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- Alimentación:

Microprocesador Arduino: es alimentado por una fuente de

4.5 V formada por tres pilas AA de 1.5 V dispuestas en serie.

Joystick y pantalla LCD: El microprocesador a su vez

usando la salida de tensión de 3.3 V alimenta tanto la pantalla

como el joystick a su tensión nominal.

- Conexiones:

Joystick:

o 2 Conexiones al microprocesador arduino: El joystick ha

de ser conectado a dos pines analógicos del

microporcesador.

o 2 Conexiones de alimentación a 3.3 V

Pantalla LCD

o 5 Conexiones al microprocesador arduino: Las

conexiones se realizan a pines digitales, sin importar el

tipo. Cada una de las conexiones tiene la siguiente

función:

SCE: LCD chip select

RESET: LCD reset

DC: Data/Command select

DIN: Serial data out

SCLK: Serial clock out

o 2 Conexiones de alimentación a 3.3V.

Cabe mencionar que se incluyo en el sistema un interruptor para un

manejo sencillo y seguro.

Con los prototipos se trabajo sobre usando una placa de pruebas, y

posteriormente una vez se diseño una configuración funcional, se utilizaron

placas perforadas para construir un diseño vistoso quedando de la siguiente

forma:


27

Figura 29 Vista superior del radiocontrol

Figura 30 Vista en perspectiva del radiocontrol


28

Figura 31 Vista del posterior de los circuitos del radiocontrol


29

5.2. Conexiones Rover

Las conexiones del rover se hicieron siguiendo el siguiente esquema

Los puntos a destacar del circuito son los siguientes:

- Alimentación:

Microprocesador y motores: Como se comentó cuando se

expusieron los motores utilizados, la máxima tensión de

funcionamiento de éstos es 12 V. Dado que la tensión máxima

admisible de alimentación de la mbed es de 14 V, se decidió

alimentar motores y mbed mediante la misma fuente. Para

alimentarlo se hizo uso de baterías de polímero Ion-Litio, con

una capacidad de 3.7 V cada una. Estas baterías pueden ser

cargadas hasta los 4 V, y conectando 3 en serie, tenemos una

tensión de funcionamiento de unos 11-12V, lo cual está dentro

de los límites recomendados.

Encoders, Xbee y acelerómetro: La placa mbed tiende dos

salidas de tensión regulada, una a 5 V y otra a 3.3 V, la salida

a 5 V solo es operativa si la alimentación procede de una

conexión USB. Se usa por lo tanto la Vout de 3.3 V, para

alimentar el resto de componentes. Además la tensión de

Figura 21 Esquema de las conexiones en el rover


30

operación de la Xbee y el acelerómetro es 3.3 V, siendo muy

susceptibles a sufrir daños cuando se les somete a cargas

mayores.

- Conexiones:

Puente H:

o 6 Conexiones a la mbed (entrada de información): La

conexión se realiza a pines digitales I/O. Cada motor

está vinculado a 3 de estas conexiones, dos para

indicar el sentido de la marcha (IN), y otra para indicar

la cantidad de tensión que ha de dejar pasar a los

motores (EN).

o 4 Conexiones a los motores (salida de información):

Cada conexión implica un sentido en la marcha (2 por

cada uno).

o 2 Conexiones correspondientes a la alimentación a

12V.

Encoder:

o 2 Conexiones a la mbed por cada encoder: La conexión

se realiza a pines digitales I/O. Cada conexión indica el

estado de uno de los dos canales, para permitir el

conteo de los pasos.

o 2 Conexiones de alimentación a 3.3 V.

Acelerómetros:

o 2 Conexiones a la mbed: La conexión se realiza a pines

digitales con comunicación I2C (SDA y SCL) que en la

mbed se encuentran en los pines 9 y 10 ó en los pines

27 y 28. En nuestro caso se realizo sobre los pines 28 y

27.

o 2 Conexiones de alimentación a 3.3 V.

Xbee:

o 2 Conexiones a la mbed: La conexión se realizón a uno

de los tres puertos de comunicación TX/RX de la mbed,

en nuestro caso al que contienen los pines 9 y 10.

o 2 Conexiones de alimentación a 3.3v.

Puerto USB:

o 2 Conexiones a la mbed: El puerto USB debe ir

conectado a los pines D+ y D- del microprocesador.

o 2 Conexiones de alimentación a 5V: Durante el tiempo

de operación del coche, la salida de tensión a 5V no se


31

encuentra operativa, al no encontrarse éste conectado

mediante USB. Por lo tanto, fue necesario usar un

regulador de tensión que convirtiese la tensión de la

alimentación de las baterías. Se uso un regulador 7805.

Al igual que para el radio control una vez superada la fase de diseño del

circuito se procedió a plasmar la configuración en una placa impresa para

mejorar su presentación.

Figura 33 Vista superior del rover


32

El circuito que fue soldado en la parte posterior de la placa perforada fue

el siguiente:

Figura 34 Vista posterior de la placa perforada del rover

5.3. Montaje final

En un primer momento el rover fue pensado como un vehículo de cuatro

ruedas, pero al ser estas fijas el giro provocaría el deslizamiento de éste, con lo

que no podría describir su trayectoria. Por esta razón se decidió acoplar una

rueda trasera en la parte del rover que girase libremente, con lo que se evitaría

el deslizamiento del vehículo. Para llevarla a cabo se realizó una estructura

artesana con restos de carpintería, y una rueda similar a la de los carritos de

los supermercados.

Como ya se ha mencionado los circuitos se soldaron a una placa

perforada, una vez finalizada la etapa de diseño. Las placas perforadas a su

vez se unieron a un contrachapado dejando un espacio intermedio de 1 cm

aproximadamente entre la placa y el contrachapado, en el caso del rover, y

aproximadamente unos 2 cm en el caso del radiocontrol.


33

Para el radicontrol este espacio sirvió para alojar las pilas AA que lo

alimentan, las cuales están contenidas en un soporte diseñando para

conectarlas en serie. Por otro lado esta configuración nos permitió dar solidez

al radio control.

En el caso del chasis separar el circuito del chasis resulta importante

para evitar contactos y daños de los circuitos y las soldaduras, el espacio de 1

cm es suficiente para cumplir este objetivo. El contrachapado fue

posteriormente atornillado al chasis mediante unas hendiduras existentes en

éste.

Las baterías LiPo que alimentan los motores y el microprocesador se

adhirieron de forma segura a uno de los laterales del coche, teniendo

precaución a la hora de realizar las conexiones de forma que no se produzcan

contactos.

Figura 35 Vista conjunta del rover y el radiocontrol


34

Figura 36 Vista izquierda rover

Figura 37 Vista derecha rover


35

6. Código del Radiocontrol

6.1. Compilador arduino

El entorno de Desarrollo Arduino está constituido por un editor de texto, un área de mensajes, la consola de texto, una barra de herramientas con las funciones comunes y una serie de menús. Permite la conexión con el hardware Arduino para cargar los programas y comunicarse con ellos. El puerto serie y el modelo de placa a utilizar se pueden especificar en uno de los menús. Cada programa creado es denominado “sketch” y el propio entorno de

desarrollo provee un comprobador de errores, compilador y volcado del texto

creado en la placa. Como en cualquier otro entorno de desarrollo, se proveen

librerías y ejemplos ya creados. Éstos últimos están en las definidas “librerías

de sketches”. Además, en el programa se dispone de un Monitor Serie que

muestra los datos enviados desde la placa Arduino y simplifica el trabajo. El

lenguaje de programación empleado es C/C++ con excepciones (Arduino,

2005-2013).

Figura 38 Vista del compilador Arduino


36

6.2. Flujo de información

6.2.1. Flujo de información entrante

El programa implementado en Arduino se basa en la información que obtiene

de dos canales:

- La señal analógica proveniente del Joystick.

- La señal de radio obtenida a través de los dispositivos Xbee.

Dicho esto, la información prioritario en el desarrollo del programa es la

obtenida a través del Joystick, dado que el programa actúa en consecuencia a

esta, sin embargo con la información recibida a través de los Xbee se limita a

realizar su impresión por pantalla.

6.2.2. Flujo de información saliente

La información saliente son las órdenes que se envían desde el radio

control hasta el rover vía xbee. Estas órdenes, pueden ser giros, paradas o

velocidades de referencia. Es importante tener en cuenta que las radios xbee,

solo pueden transmitir valores enteros, y flotantes

6.3. Funcionamiento del mando radio control

6.3.1. Joystick

Por lo tanto procedemos a comentar forma básica el funcionamiento del

Joystick, cuales son las tareas que se pueden llevar a cabo.

- Desplazamiento: El desplazamiento que realiza el rover es

únicamente hacia delante, dado que su configuración, con la rueda

trasera con rotación permitida impide la implementación de una

marcha atrás.

- Aceleración y deceleración: Los cambios de velocidad se pueden

llevar a cabo de dos formas distintas.

Paso a paso: Si se empuja el joystick hacia delante o hacia

atrás e inmediatamente después se suelta, la velocidad de

referencia aumenta o disminuye en 0.05 m/s.

Salto de velocidad: Si se mantiene el joystick en posición de

aceleración o deceleración la velocidad de referencia

comienza a disminuir a razón de 0.2 m/s/s.

- Giro: Una de las limitaciones del rover se encuentra precisamente en

este punto. En fases de prediseño se ideo un sistema que detectase

el grado de desplazamiento lateral del joystick. Pero la inestabilidad

de la señal analógica impedía definir rangos claros, y por otro lado la


37

naturaleza de la comunicación hacia muy difícil transmitir la

información requerida de forma eficiente.

Finalmente se optó por un sistema extremadamente sencillo, que se

limitaba a mandar la orden de giro, a la derecha o a la izquierda, y

dejaba al programa del rover la “decisión” de cual debía de ser la

magnitud de ese giro.

Esta orden de giro, al igual que la de aceleración y deceleración, se

basa en que una vez el joystick se desplaza lateralmente se envía la

orden de giro. Pero en este caso, la permanencia del joystick fuera

de la posición neutra no tiene ningún efecto.

- Parada: Para implementar un sistema de parada se decidió utilizar el

pulsador que incorporaba el joystick. Si se pulsa una sola vez el rover

se detendrá.

Si una vez detenido el rover, se vuelve a pulsar el botón de parada, el

microprocesador mbed ejecutará el protocolo de cierre de sus

programas, y la información estará lista para ser extraida.

6.3.2. Protocolo de comunicación

Se consideró que había diferentes grados de prioridad a la hora de

transmitir información. Por ejemplo, el hecho de que no reciba información

sobre una aceleración o deceleración no es tan prioritario como que reciba una

orden de parada. Por lo que el software se diseño de forma que la información

respectiva a aceleraciones y giros, se enviaría solo una vez sin reiteración (no

tenemos en cuenta la programación interna de las radios). Sin embargo, en el

caso de una orden de parada, el radiocontrol quedará bloqueado, enviando de

forma periódica la orden de parada, hasta que no reciba confirmación por parte

del rover de que se ha producido la parada.

6.3.3. Pantalla

El programa está diseñado para mostrar por pantalla el siguiente

mensaje:

Velocidad: 1.30

Vel. real: 1.31

Con ‘velocidad’ hace referencia a la velocidad de referencia ordenada

por el joystick, y con ‘vel. real’ a la velocidad real del rover, obtenida por los

encoders, y transmitida via xbee.

Cuando se produzca un salto de velocidad este menú desaparecerá y s

mostrará en tiempo real, como el valor de la velocidad de referencia va

cambiando.


38

A parte de lo dicho, la pantalla también mostrará otros mensajes, cuando

se estén realizando tareas de transmisión de datos. Por ejemplo para el caso

de un giro a la derecha aparecerá:

Velocidad: 1.30

Vel. real: 1.31 Trans. Giro D

Para el caso de un giro a la izquierda, el mensaje que aparece será ‘Trans. Giro I’; si se produce un cambio de velocidad el mensaje será ‘Transmitiendo’; y para el caso de parada temporal y definitiva, el mensaje será ‘Parada’ y ‘Cerrando’, respectivamente.

6.3.4. Consideraciones importantes a la hora de utilizar

A la hora de manejar el radiocontrol hay que tener en cuenta dos consideraciones:

- La comunicación entre el rover y el radiocontrol es muy susceptible a

la saturación, por lo que al manejar el coche, no se pueden realizar

muchas maniobras en un espacio de tiempo corto. Siendo

recomendable esperar 1 ó 2 segundos entre cada orden.

- Una vez se ordene una parada, el coche parara rápidamente, pero el

radiocontrol tardará un tiempo considerable en volver a estar

operativo. Esto se debe a que en este momento la transmisión de

información entre las dos radios es bidireccional, lo cual ralentiza de

forma considerable la comunicación.

Dicho esto, en las siguientes páginas se procede a exponer el código

que fue implementado en el radiocontrol.


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7. Código del rover

7.1. Compilador mbed

El compilador mbed nos provee de un IDE (entorno de desarrollo

integrado) online, que usa lenguaje C/C++, y cuyo uso resulta sencillo. Este

compilador está configurado para permitir la rápida escritura de programas, su

compilación y descarga para ser ejecutados por el microcontrolador mbed. Esta

herramienta no necesita instalación o actualizaciones de ningún tipo para ser

ejecutada por la mbed. Esta aplicación web tiene la ventaja de permitir la

identificación del usuario desde cualquier lugar y modificar los programas en

desde el punto en el que estaban durante la última sesión. (mbed.org)

Figura 39 Vista compilador on-line mbed


45

7.2. Flujo de información

Información entrante: La información entrante a la mbed se debe al

dispositivo xbee, a los encoder y al acelerómetro.

- Xbee: La información entrante vía xbee son las órdenes que el

radiocontrol envía al rover. En función de esta información el

microprocesador del rover actúa sobre los motores.

- Encoder: La información proveniente de los encoders nos permite

obtener la velocidad real del coche, en función de la cual, y de la

velocidad de referencia obtenida vía xbee, el microprocesador actúa

sobre los motores.

- Acelerómetros: Obtienen las aceleraciones que posteriormente nos

permitirían estimar el perfil de la superficie recorrida.

Información saliente: La información saliente de la mbed va dirigida a los

motores y al transmisor de radio.

- Motores: La información que se envía a los motores es la respuesta

del microcontrolador para mantener la velocidad de referencia.

- Xbee: La información saliente de la mbed al radiotransmisor es el

dato de la velocidad real del coche, que se mostrará por la pantalla

LCD del radiocontrol.

7.3. Funcionamiento del software del rover

El software implementado en el rover consta de un bucle que va

repitiendo las siguientes funciones, hasta que recibe por parte del control

remoto la orden que le permite salir del bucle.

7.3.1. Obtención de la información

La información obtenida vía xbee es un número entero (estos

dispositivos no pueden transmitir flotantes), que puede tomar del valor 0 al

valor 255, según la programación que se ha tomado en las radios. La función

que se encarga de recibir e interpretar esta información es ‘LeeXbee’. La

información entrante puede ser una velocidad de referencia, una orden de giro,

una orden de parada o una orden de cierre. Los valores asociados a cada

orden son:

Giro: Valor entero 3 y 4, giro derecha y izquierda

respectivamente.


46

Parada: 1, detiene el vehículo.

Cierre: 2, permite salir del bucle principal del programa.

Cambio de velocidad: Cualquier dato distinto a los anteriores

será tomado como la velocidad de referencia que debe

alcanzar el rover. Estos valores serán múltiplos de 5, y su

significado estricto sería la velocidad de referencia del rover en

cm/s. El programa utiliza m/s, así que se transforma el entero

en un flotante, dividiendo el entero entre 100.

7.3.2. Cambio de velocidad

En el caso de que la información recibida vía xbee sea una velocidad

el programa actualizará su velocidad de referencia. Esto introducirá en la

mayoría de los caso un cambio en la velocidad de referencia, salvo extraños

casos, en los que por ejemplo se haya perdido una transmisión. Cuando se

produce un cambio en la velocidad de referencia, el rover hace un esfuerzo de

control hasta actualizar su velocidad real hasta un valor que oscilará en torno a

la velocidad de referencia.

7.3.3. Giro

Cuando la orden entrante es un giro, la velocidad de referencia de uno

de los motores se reduce en un porcentaje, durante un determinado lapso de

tiempo. Por ejemplo, un giro a la derecha impone una reducción temporal de la

velocidad de referencia de esta rueda. El software implementado establece que

la reducción de velocidad ha de ser de un 25% durante un lapso de tiempo de

0.3s.

Este mecanismo de giro no aporta una gran maniobrabilidad al rover.

Aunque se intentó implementar un mecanismo de giro que permitiese una

mayor maniobrabilidad, la falta de conocimiento de los protocolos internos de

comunicación de los dispositivos de radio, hizo que ésta fuese una tarea

demasiado ardua, en comparación con los beneficios que aportaría.

Aún así la maniobrabilidad aportada, resulta suficientemente útil para

la actividad de auscultar que se pretende con el rover, dado que nos permite

mantener una trayectoria rectilínea.

7.3.4. Medición de velocidad

La medición de la velocidad es uno de los aspectos más importantes

durante el funcionamiento del rover. En primer una medición precisa de la

velocidad nos permite resolver las ecuaciones, a partir de las que se obtiene el

perfil del terreno. En segundo lugar la medición de velocidad es necesaria para

permitir un control adecuado del rover.


47

La velocidad del rover es obtenida a partir de la información

proveniente de los encoders. La función a partir de la que se obtiene la

velocidad del encoder es ‘LeeEncodersRight’ y ‘LeeEncodersLeft’, para el

derecho y el izquierdo respectivamente. Y éstas se ejecutan cada 0.1 s,

frecuencia también de ejecución del controlador de PID.

Una vez se ejecutan estas funciones, el programa se detiene a

observar la información procedente de los canales de los encoders, en el

momento en el que se produce un cambio en la señal de alguno de ellos (A o

B, recordamos que cada encoder tiene dos canales), el programa mide cuanto

tiempo pasa hasta el siguiente cambio. Una vez calculado este cambio basta

saber el número de pasos por revolución, que en nuestro caso es 928, para

obtener la velocidad angular. Dado que las ruedas tienen un radio de 9 cm,

podemos obtener fácilmente la velocidad lineal de la rueda.

7.3.5. Control de velocidad

El control de velocidad se realiza mediante una biblioteca descargada

del ‘Cookbook’ de mbed, esto es una plataforma donde los usuarios cargan sus

trabajos.

El control de velocidad trabaja utilizando la velocidad de referencia

(SetPoint) y la velocidad real del rover (ProcessValue), en función de estos

valores el PID genera una respuesta que es directamente utilizada por el

software que controla el puente H. Esta respuesta va corrigiendo la velocidad

del rover, de tal forma que permite tanto permanecer en un cierto valor de

velocidad, como afrontar cambios de ésta.

Figura 40 Seguimiento de la velocidad por el rover


48

A continuación se muestra un gráfico en el cual se aprecia como la

velocidad de referencia del rover va cambiando, y como gracias al trabajo de

control del PID, la velocidad real del rover se estabiliza entrono a este valor.

Los parámetros de diseño del controlador son . Estos son los

parámetros asociados a la parte proporcional, integral y derivativa del

controlador. Los cuales fueron ajustados mediante ensayo y que finalmente

fuero fijados en:

El parámetro asociado a la parte derivativa no es útil en el control de un

sistema que está sujeto a tantas inestabilidades como es un vehículo, dado que

tratará de forma infructuosa de corregirlas.

Otro parámetro que debe establecerse es denominado como RATE,

esto es el tiempo que invierte el procesador en calcular la respuesta con los

datos de entrada de que dispone. Fue fijado en 0.01 s.

Otros parámetros que deben de establecerse para el correcto

funcionamiento, son intrínsecos a las características del rover. Por ejemplo el

rango de velocidad que puede desarrollar el vehículo (0 a 1.4 m/s en nuestro

caso), y el rango de valores en la respuesta del controlador (puente H, en

nuestro caso de 0 a 1)

7.3.6. Envío de información

El envío de información tiene como objetivo transmitir la velocidad real

del coche al radiocontrol. No es una parte primordial del funcionamiento del

rover, dado que simplemente sirve para asegurar que la velocidad del coche es

la deseada, lo cual normalmente será cierto. Sin embargo, tiene un alto coste

en la fluidez del tráfico de información entre el rover y el radicontrol. Por este

motivo se restringe el envío de información, siendo necesario que pasen 6

segundos entre el último envío de velocidad como mínimo, y 6 segundos desde

que el rover recibió la última orden. De esta forma se trata de impedir que la

comunicación se sature, y así ocurre en la mayor parte de los casos. En

cualquier caso este punto es uno de los más susceptibles a futuras mejoras.

La función que lleva a cabo el envió de información es ‘ftoi’, este

nombre hace referencia a la transformación que es necesario hacer del valor

de la velocidad real de un valor flotante, a un valor entero para poder ser

transmitido vía xbee (float to int).


49

La función ‘ftoi’ obtiene el valor de las unidades, las décimas y las

centésimas de la velocidad flotante, y las convierte en las centenas, las

decenas y las unidades, respectivamente, de un entero. Una vez obtenido el

entero procede a enviarlo vía xbee.

7.3.7. Almacenamiento de información

Para almacenar la información se ha implementado un sistema de

buffers de memoria. El cual por ahora no resulta necesario, pero en el caso de

que se empiecen a tomar datos de aceleración con una alta frecuencia,

usando el ‘tickering’, podrían llegar a ser necesarios. Por esta razón se han

implementado en esta fase de programación.

Su uso es necesario, porque cuando se recibe información en

intervalos de tiempo cortos, hay un instante en que la memoría flash del

microprocesador deja de almacenar información. Para no perder los datos

correspondientes a ese instante, se habilitan unos buffer de memoria, a los

cuales se les asigna una cierta capacidad de almacenamiento.

El fundamento es que los datos una vez tomados se guarda en el

buffer, y posteriormente pasan a la memoria flash. La velocidad de grabación

en la memoría Flash, es mayor que la velocidad de adquisición, excepto en un

lapso de tiempo, en el que la memoria Flash pasa de un punto de

almacenamiento a otro. En este lapso, la capacidad del buffer tiene que ser

suficientemente grande como para almacenar todos los datos que se vayan

generando, hasta que la memoria Flash comience de nuevo a almacenar los

datos del buffer, y libere el espacio de este.

7.3.8. Acelerómetros

Otra parte del programa se dedica al control de los acelerómetros y

los giróscopos. Esta parte del código no ha sido desarrollada por el autor, sino

que fue implementada para garantizar la operatividad del vehículo auscultador.

Una vez garantizada la toma de datos por el acelerómetro se demostró su

funcionalidad. No vamos a entrar en el análisis de esta sección porque se

queda fuera del campo de este proyecto.

A continuación se expone el código comentado, que fue introducido

en el microprocesador del rover.


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8. Costes

2 Motores 61.9 €

2 Ruedas 7.75 €

2 Soportes motores 6.00 €

2 Adaptador Ruedas 6.00 €

2 Xbee S2 32.6 €

Arduion Fio 19.4 €

Mbed LCP 1768 60.38 €

Pantalla LCD 2.83 €

Joystick 2.82 €

2 Placas perforadas 4.00 €

Puente H 15.52 €

Adaptador Xbee USB 19.38 €

Adaptador FTDI 11.60 €

Cargador LiPo 6.16 €

3 Baterías Lipo 23.25 €

Chasis No se puede determinar

El coste total aproximado es: 279 €

9. Conclusión

Finalmente a partir de unos conocimientos básicos de electrónica se consiguió

construir un vehículo teledirigido, que cumplía los requisitos necesarios para realizar las tareas

de auscultación. No obstante no obviamos que este vehículo es susceptible a diversas mejoras,

especialmente en lo que se refiere a la transmisión de la información.

Teniendo en cuenta lo dicho, el vehículo se encuentra a punto para llevar a cabo

trabajos sobre él. Quedan pendientes de futuros proyectos la realización de ensayos sobre

superficies de control, con el fin de calibrar la instrumentación, y el cálculo de las funciones de

ponderación que permitan realizar una correcta combinación de las funciones de transferencia

asociados a cada uno de los modos de vibración.

Una vez calibrado el rover, y modelado su comportamiento dinámico se podrá

proceder a auscultar diversos tipos de superficie con él.


61

10. Bibliografía

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analysis and presentation of vertical track geometry quality and

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Systems Design Applying the ARM mbed” Newnes (2012)

7. https://mbed.org/cookbook/PID

8. https://mbed.org/users/aberk/code/PIDRover/

9. http://playground.arduino.cc/Code/PCD8544

10. http://www.digi.com/products/wireless-wired-embedded-

solutions/zigbee-rf-modules/point-multipoint-rfmodules/xbee-

series1-module#overview

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