IES Corbera de Llobregat Departament de Tecnologia
Març-‐Abril
12
Projecte de robot seguidor de línia
1
Teoria Prèvia ESTUDI DEL CONTROL D'UN PETIT ROBOT SEGUIDOR DE LÍNIA En el següent apartat realitzarem l’estudi d’automatització i control d’un petit robot seguidor, el qual ha de seguir una línia blanca. Aquest robot disposa de dos sensors (SE) i (SD) i dos motors (ME) i (MD), per a realitzar el control i el moviment respectivament.
De forma simplificada, es pot explicar el seu funcionament tenint en compte que la línia s’haurà de trobar, en tot moment, entre els dos sensors, de forma que els dos estiguin captan el senyal de la línia i així el robot pugui anar seguint o rectificant la seva trajectòria. A partir d’aquí, es poden donar les següents condicions de captació dels sensors
i
funcionament
dels
motors:
2
•
Quan detecten la línia els dos sensors, el robot ha de seguir una trajectòria recta. Això implica que tant el motor dret com l’esquerre han de girar de forma simultània en sentit d’avanç.
•
Quan la línia és detectada solament pel sensor de l’esquerra, la qual cosa vol dir que s’ha desviat a la dreta, el robot ha de girar cap a l’esquerra, per tant, el motor de la dreta és el que haurà de girar en sentit d’avanç i el de l’esquerra es pararà.
•
Quan l’únic sensor que detecta és el dret, la qual cosa vol dir que s’ha desviat a l’esquerra, el robot haurà de girar cap a la dreta, és a dir, el motor esquerre avançarà i el dret es pararà.
Per tal de fer un exercici didàcticament senzill, no s’invertirà mai el sentit dels motors , es a dir, els girs es faran a partir de la posada en marxa d’un dels motors i l’aturada del l’oposat. Això farà que els girs no siguin tant tancats (forts), però simplificarà el circuit. Si es vulgues fer un gir més suau, es podria realitzar una variació de velocitat dels motors, però per fer l’exercici més simple, tampoc contemplarem aquesta possibilitat a l’exercici bàsic
3
Disseny Circuit d'Alimentació
Tal com mostra l’esquema, el circuit es pot alimentar directament amb un pack de piles de 6 volts ( 4X1,5V) o bé amb una tensió superior si incorporem un regulador de voltatge LM7805. Desprès del pack de bateries, hem inserit el diode D1 destinat a que en cas d’inversió accidental de la polaritat de les piles, el circuit quedi protegit, ja que aquest diode només condueix si el positiu de les bateries està situat al seu ànode.
A continuació del diode, hem instal·∙lat l’ interruptor S1 per tal de poder aturar i posar en marxa el robot.
4
Sensors
Aquest, disposa d’un led emissor de llum i un fototransistor que condueix quan rep la llum del led relaxada en algun objecte clar.
La resistència de 220 ohm situada en sèrie amb el diode, serveix per a limitar la corrent d’aquest, ja que fer circular gaire més de 20 ma , no augmentaria el seu nivell de llum, i si es connectes directament cremaríem el diode LED. Quan el fototransistor condueix, es comporta com a un interruptor tancat, i per tant lliura 0 Volts ( negatiu ) al PICAXE. La resistència de 100 Kohm connectada al fototransistor, serveix per proporcionar 5 volts ( positiu ) al microcontrolador quan el fototransistor no rep llum.
5
Circuit d'Alimentació dels Motors
La sortida del PICAXE-‐08M , no alimenta directament el motor , ja que el consum d’aquest seria excessiu per a la poca corrent que aquesta sortida podria lliurar. Per solucionar aquest inconvenient, s’utilitza un transistor BDX53, que permet que a partir d’un petit corrent que li arriba de la porta a la seva base, faci circular un corrent més elevat que alimenta el motor.
En aquest cas, el transistor treballa com a interruptor, és a dir, posant en marxa o aturant el motor en funció de si arriba o no corrent a la seva base. Els díodes LED situats a la base dels transistor, serveixen precisament per a que podem veure d’una forma didàctica quan hi ha circulació de corrent per la base. La resistència de 330 ohm situada en sèrie amb aquest led, permet per a limitar la seva intensitat i la de
la
base
del
6
transistor.
La comunicació del xip amb l’ordinador, es realitza mitjançant els pins 7 i 2 del PICAXE-‐ 08M. Aquest rep de l’ordinador el programa que farà funcionar el circuit. La recepció del programa es fa per l’entrada Ser_in ( entrada de comunicació sèrie) . Les resistències de 22Kohm i 10 Kohm serveixen per ajustar el voltatge que lliura l’ordinador
al
que
necessita
el
microcontrolador.
També es possible enviar dades des del PICAXE-‐08M cap a l’ordinador. En aquest cas, el xip envia les dades directament des de la sortida Sout ( sortida de comunicació serie).
Circuit de Control
El control del sistema ho fa el PICAXE-‐ 08M. Com es pot observar, aquest s’alimenta directament amb la tensió provinent
de
les
bateries.
El
condensador de 100 K ( 100 nanofarads ) serveix per filtrar la tensió d’alimentació.
7
Si no instal·∙léssim aquest condensador, el circuit funcionaria igualment, però seria més vulnerable a les interferències elèctriques.
Finalment, es pot observar que a una de les sortides del microcontrolador s’ha connectat un terminal anomenat “servo”. Aquest, serveix per si es desitgés d’instal·∙lar un “servomotor” dels utilitzats en radiocontrol amb la finalitat de dotar al robot d’un sistema de direcció.
8
9
10
Muntatge Procés de muntatge d'un circuit electrònic En aquest apartat, es fa una explicació bàsica del procés d’assemblatge, soldadura i acabat del circuit del robot. El procés descrit, es aplicable de forma genèrica a la construcció de qualsevol muntatge electrònic.
Eines: Les eines bàsiques per a du a terme el muntatge seran:
Soldador de llapis de 30 W , a ser possible dotat de suport i esponja humida de neteja. Alicates de tall petites, destinades a tallar els terminals dels components que sobresurtin
Preparació dels components:
Tindrem a mà tot els components que han d’anar situats sobre la placa. Haurem de tenir cura especial en la soldadura dels elements semiconductors ( díodes, transistors ,
11
leds i sensors) , ja que aquests son sensibles a un excés d’escalfor. El circuit integrat que conté les portes també es un semiconductor, però no va soldat directament sobre la placa, sinó que va inserit en una base o sòcal prevista per a aquesta
funció.
Inserció i soldadura dels components: La
mecànica
per
dur
a
terme
el
muntatge
serà
la
següent:
En primer lloc es convenient fer el muntatge dels components més baixos, com son resistències i diode. •
Inserirem el component per la cara de components.
•
Soldarem el component al punt de soldadura ( pad ) corresponent. Cal tenir en compte que la neteja dels elements a soldar ( placa i terminals del component ) així com de la pròpia punta del soldador, son un factor importantíssim alhora de tenir èxit a les soldadures.
És per això que cal tenir en compte en tot moment aquests factors. Per a la neteja del soldador utilitzarem de forma assídua l’esponja humida situada a la base d’aquest.
12
Alhora de realitzar la soldadura, situarem a un cantó del terminal la punta del soldador, aplicant a la base l’estany fins que aquest estigui totalment fos . Cal evitar la formació de “boletes” d’estany a la soldadura, símptoma de brutícia en els components que pot provocar que aquesta no funcioni. També cal evitar que l’estany de la soldadura quedi “pastos” en comptes de líquid. Això passa quan el temps durant el que apliquem el soldador és massa petit, o estem utilitzant un soldador de poca potència. •
Tallarem per la base els terminals sobrants, amb l’ajut d’unes alicates de tall adequades.
Altres recomanacions: Cal recordar que alguns components com les resistències no tenen polaritat, és a dir, que es poden inserir al circuit en un sentit o altra.
Altres, en canvi si tenen polaritat. Es el cas del Díodes i Leds, que s’ha de distingir entre l’ànode i el càtode, els transistors, que tenen tres terminals diferents, els circuits
13
integrats, que tenen pins amb funcions específiques assignades, etc. En aquests casos , es del tot indispensable assegurar-‐nos de que inserim el component a la placa en el sentit correcte.
Muntatge Finalitzat: Un cop soldat tots els components, obtindrem una placa similar a la de la figura. En aquest cas. Podem observar que no s’ha instal·∙lat el regulador, per la qual cosa, s’ha fet un pont entre l’entrada i sortida d’on hauria d’estar ubicat aquest
Un cop realitzada la soldadura dels components, només caldrà soldar els fils corresponents a les piles . Respectarem la codificació de colors dels fils, es a dir, utilitzarem
el
vermell
per
al
positiu
i
el
negre
per
al
negatiu.
14
La part més laboriosa i potser delicada del muntatge, és la soldadura dels 8 fils que uneixen la placa de control amb la placa de sensors. Aquesta part del muntatge, si no es realitza amb molta cura, pot fer que aquest no funcioni de forma esperada. S’ha de tenir en compte que cadascun dels sensors, te quatre terminals de connexió i que el connectar de forma errònia un d’aquests terminals pot provocar que el circuit no funcioni, i fins i tot, provocar la destrucció del sensor. Un altra qüestió que cal tenir en compte és l’evitar que alguns dels 8 fils es toquin entre ells, ja que també podria tenir efectes negatius per al circuit.
A continuació es donen algunes recomanacions pràctiques alternatives per tal d’assegurar el bon funcionament del circuit.
Recomanacions i alternatives: Una recomanació que pot esser molt útil, és provar de forma prèvia el circuit soldant
15
uns sòcols ( tira de pins ) a la placa de control i endollant directament els sensor sense soldar-‐lo. Un cop comprovar el bon funcionament, podem optar per afegir els fils.
Una altra recomanació que també pot esser , és deixar definitivament els sensors connectats a la placa de control mitjançant una tira de pins com els de la figura ( acolzats). En aquest cas, per tal que els sensor detectessin la línia del terra, caldria ubicar la placa sobre el robot de forma vertical.
També haurem de soldar els fils destinats als sensors. Si volem fer una prova de funcionament prèvia a aquest pas, podem endollar aquests sensors directament a la placa mitjançant un socal adequat ( no soldar-‐los ).
16
Programació amb Picaxe Els símbols Quan es realitzen programes de control amb múltiples entrades i sortides, a l'hora d’editar el programa , pot ser molt difícil d’entendre el seu funcionament si ens referim a cadascuna de les entrades i sortides pel seu nom original, és a dir, inpu1, output
0,
etc.
Per tal de fer molt més entenedor el programa i el seu seguiment, és habitual donar un nom més adequat a les entrades i sortides, habitualment relacionat amb la
funció
que
aquestes
fan.
A
aquest
nou
nom
se
l’anomena
símbol.
Així per exemple, al pin on connectem el sensor dret, en comptes d’anomenar-lo pin1 o input 1, l’anomenarem SD. 1. Crea un nou fitxer del tipus diagrama de flux 2. Ves a organigrama à tabla de símbolos de organigrama i edita la taula con la de la figura.
17
2. Un cop editada la taula de símbols, realitza el següent diagrama de flux.
18
4. Simula el programa.
5. Explica
el
Observa que
passa
el per
a
funcionament cada
combinació
de dels
la estats
simulació. de
SD
i
SE.
Transfereix el programa a la placa real i comprova el seu funcionament.
Ampliació Un cop comprovat el circuit, muntat el robot i realitzades les proves de posta a punt, ens podem proposar una millora de les prestacions del prototipus. En el cas que volguéssim augmentar la seva velocitat, hauríem d’augmentar la tensió que arriba als motors. Inicialment la tensió d’alimentació es de 6 V aconseguits a
19
partir de 4 piles de 1,5 V ( també es poden utilitzar 4 bateries recarregables de NiCd o NiMn que lliuren 1,2V). Tot i això, degut a la pèrdua de 0,7 volts que es produeix al diode de protecció D1 en sèrie amb l’alimentació el robot, el PICAXE només rep 5,4 volts, tensió que és lleugerament inferior als 5,5 v de valor màxim recomanats. Si instal·∙léssim un poratapiles de 8 elements, obtindríem una tensió total de 8 x 1,5 V = 12 V, la qual cosa, si bé podria fer anar més ràpids els motors, espatllaria el circuit microcontrolador. Per a solucionar aquest problema, el disseny incorpora la possibilitat d’afegir un regulador de tensió de 5 Volts. Aquest es el component LM7805. Aquest component permet una tensió d’entrada de fins a 35 Volts, donant en qualsevol cas ( sempre que l’entrada sigui superior a 8 Volts ) una tensió de 5 V. Si observem l’esquema original, veurem que aquesta tensió s’utilitza per a alimentar el microprocessador i els sensors, funcionant els motors directament amb la tensió subministrada per les piles.
Tot i això, observem l’esquema original, veurem que aquesta tensió s’utilitza per a alimentar el microprocessador i els sensors, funcionant els motors directament amb la tensió subministrada per les piles. Hem de tenir en compte que la tensió màxima que poden arribar a suportar els
20
motors dels servos standard és d’uns 17 V, a partir de la qual, possiblement el destruïm.
Videos de muntatge Video 1: http://www.youtube.com/watch?v=Z02Fz7RUv4s&feature=player_embedded Video 2: http://www.youtube.com/watch?v=w20DAg3lFI8&feature=player_embedded
Index TEORIA PRÈVIA
2
DISSENY
4
CIRCUIT D'ALIMENTACIÓ SENSORS CIRCUIT D'ALIMENTACIÓ DELS MOTORS CIRCUIT DE CONTROL
4 5 6 7
MUNTATGE
11
PROCÉS DE MUNTATGE D'UN CIRCUIT ELECTRÒNIC
11
PROGRAMACIÓ AMB PICAXE
17
AMPLIACIÓ
19
VIDEOS DE MUNTATGE
21
INDEX
21
21