Diseño y construcción de una plataforma robótica polivalente para Eurobot by AMUVA

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES

PROYECTO FIN DE CARRERA INGENIERO INDUSTRIAL

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PLATAFORMA ROBÓTICA MÓVIL PARA LA COMPETICIÓN EUROBOT AUTOR: Vicente Izcara Autillo DIRECTOR: Eduardo Zalama Casanova Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática

AGRADECIMIENTOS Quiero dedicarle este trabajo a mis padres. Ellos han sido mi luz y mi guía. A mis hermanos, y al resto de mi familia. A mis amigos. A mi novia, porque haces que todo sea más fácil estando a mi lado. Y muy especialmente quiero dar gracias a Dios por todos ellos, y porque ha querido que este día llegue y podamos verlo. Sara: no te olvidamos.

Izcara Autillo, Vicente

Contenido

III

RESUMEN DEL PROYECTO Con este proyecto se pretende diseñar y construir una plataforma robótica móvil orientada a la participación en la competición de robótica EUROBOT. Se estudiarán las necesidades más generales para proponer una arquitectura versátil que pueda adaptarse a necesidades más concretas. Los trabajos se centrarán en el desarrollo de los sistemas que permitirán el movimiento del robot, abarcando tanto la integración de equipos comerciales como el desarrollo de sistemas a medida. Se construirá un prototipo y se realizarán pruebas de funcionamiento. Por último, se extraerán conclusiones de los trabajos realizados y se apuntarán las líneas a seguir en futuros desarrollos.

Índice

ÍNDICE DE CONTENIDO

Glosario .................................................................................................... 5 1.

Introducción. Objetivos y Justificación .......................................... 6 1.1.

El campeonato de robótica EUROBOT .............................................................6

1.2.

AMUVA y el proyecto “Equipo AMUVA-EUROBOT”..........................................7

1.3.

Punto de partida .................................................................................................9

1.4. Especificaciones ..............................................................................................10 1.4.1. Capacidad de abandonar la salida y anotar un punto ..............................11 1.4.2. Cumplir las especificaciones técnicas ......................................................11 1.4.3. Funcionamiento seguro............................................................................11

1.5.

Objetivos ..........................................................................................................12

1.6.

Estructura de la memoria .................................................................................12

Arquitectura del Robot ................................................................... 15 2.1. Arquitecturas de descomposición funcional .....................................................16 2.1.1. Arquitecturas PPA ....................................................................................16 2.1.2. Arquitecturas basadas en pizarra ............................................................18 2.2.

Arquitecturas reactivas ....................................................................................19

2.3.

Arquitecturas híbridas ......................................................................................21

2.4. Arquitectura propuesta para este proyecto robótico ........................................22 2.4.1. Niveles de la arquitectura de control ........................................................25

Arquitectura Física y Diseño Mecánico ........................................ 31 3.1. Arquitectura física ............................................................................................31 3.1.1. Plataforma móvil ......................................................................................32 3.2. Configuración de vehículos con ruedas ...........................................................35 3.2.1. Configuración Ackerman o “tipo coche” ...................................................35 3.2.2. Configuración tipo triciclo .........................................................................36 3.2.3. Tracción diferencial ..................................................................................37 3.2.4. Configuración con ruedas o pistas deslizantes (Skid Steer) ....................38 3.2.5. Configuración de ruedas síncronas .........................................................39 3.2.6. Tracción omnidireccional .........................................................................40 3.2.7. Configuración elegida. Justificación .........................................................41 3.3. Diseño mecánico de la plataforma móvil .........................................................42 3.3.1. Bastidor ....................................................................................................45 3.3.2. Conjunto encóder- motorreductora ........................................................50

Arquitectura y Diseño Electrónico ................................................ 55 4.1.

Introducción .....................................................................................................55

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Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT.

4.2.

Sistema de control de alto nivel .......................................................................56

4.3. Sistema electrónico de control de movimiento ................................................58 4.3.1. Introducción al modelo de sistema de control de movimiento. ............... 58

4.3.1.1. 4.3.1.2. 4.3.2.

Navegación ..................................................................................... 59 Posicionamiento .............................................................................. 61 Placa electrónica de control de tracción ..................................................63

4.3.2.1. 4.3.2.2. 4.3.2.3. 4.3.3. 4.3.4. 4.3.5. 4.3.6.

Diseño ............................................................................................. 63 Construcción de la placa ................................................................. 66 Uso y configuración hardware de la placa ..................................... 69 Placa electrónica de potencia ..................................................................76 Placa de accionamientos .........................................................................79 Alimentación. Baterías Li-Po ....................................................................82 Conexiones y cableado. ...........................................................................84

Diseño Software. ............................................................................. 87 5.1. Elección del microcontrolador ..........................................................................87 5.1.1. Microcontroladores Microchip PIC ...........................................................87 5.1.2. Elección de la familia. La familia PIC33F .................................................88 5.1.3. Elección del dispositivo. dsPIC33FJ64MC802 .........................................90 5.2. Creación de proyectos y aplicaciones con el dsPIC ........................................91 5.2.1. Lenguajes de programación. El lenguaje C .............................................91 5.2.2. Herramientas de desarrollo. El compilador MPLAB C para dsPIC ..........93 5.2.3. Elementos de un proyecto .......................................................................94 5.3. Configuración del dsPIC33FJ64MC802 ...........................................................97 5.3.1. Hoja de características del dispositivo .....................................................97 5.3.2. Arquitectura del dsPIC33FJ64MC802 ......................................................98

5.3.2.1. 5.3.2.2. 5.3.3. 5.3.4. 5.3.5. 5.3.6. 5.3.7.

Motor DSP ...................................................................................... 98 Características MCU especiales ...................................................... 99 Características especiales. Registros de configuración .........................101 Configuración del oscilador ....................................................................103 Configuración de entradas y salidas del dispositivo ..............................106 Módulo de conteo Timer 1 .....................................................................108 Selección de patillas para uso por periféricos (PPS) .............................109

5.3.7.1. 5.3.7.2. 5.3.8. 5.3.9.

Mapeo de entradas a periféricos ................................................... 110 Mapeo de salidas de periféricos .................................................... 111 Módulo PWM para control de motores. ..................................................111 Módulo de interacción con encóder de cuadratura QEI .........................119

5.3.9.1. 5.3.9.2. 5.3.10.

Puerto de comunicación serie UART .....................................................126

5.3.10.1. 5.3.10.2. 5.3.11.

Descricpción del módulo .............................................................. 119 Configuración del módulo para la aplicación ............................... 124 Descripción del módulo ................................................................ 126 Configuración del módulo para la aplicación ............................... 130

Controlador de interrupciones ................................................................131

5.3.11.1. 5.3.11.2.

Descripción del módulo ................................................................ 131 Configuración de las interrupciones ............................................. 134

5.4. Programa de control del robot .......................................................................135 5.4.1. Rutina principal ......................................................................................136 5.4.2. Rutina de recepción y administración de comandos recibidos .............. 138

5.4.2.1. Izcara Autillo, Vicente

Comando de orden de movimiento: MOV.................................... 140

Contenido

III

5.4.2.2. Comando para establecer el valor de variables o parámetros del sistema: SET ..................................................................................................... 140 5.4.2.3. Comando para extraer el valor de variabes o parámetros: ASK ... 141 5.4.2.4. Comandos para establecer modos de funcionamiento: ................. 141 5.4.2.5. Comandos para componer trayectorias básicas: ........................... 142 5.4.3. Rutinas de ejecución de órdenes de movimiento. Control de posición y velocidad. ...............................................................................................................142

5.4.3.1.

Algoritmo de control de velocidad ............................................... 146

Resultados Experimentales ......................................................... 151 6.1.

Robot real vs Robot 3D ..................................................................................151

6.2. Validación del diseño electrónico y configuración de periféricos. .................. 154 6.2.1. Pruebas en placa de prototipos .............................................................154 6.2.2. Prueba de los sistemas del robot. ..........................................................157 6.3. Pruebas de movimiento. Ajuste de los algoritmos de control de posición y velocidad ....................................................................................................................158 6.3.1. Respuesta en lazo abierto. Caracterización del sistema .......................158

6.3.1.1. 6.3.1.2. 6.3.1.3. 6.3.2.

Respuesta escalón con mecánicas en vacío .................................. 161 Respuesta escalón con mecánicas en carga .................................. 164 Conclusiones y caracterización en lazo abierto ............................ 166

Ajuste de PID para control de velocidad ................................................169

Estudio Económico....................................................................... 185 7.1. Costes directos ..............................................................................................185 7.1.1. Costes en materias primas y componentes ...........................................185 7.1.2. Costes de amortización de equipos y herramientas. .............................187 7.1.3. Costes de software y licencias. ..............................................................187 7.1.4. Costes por mano de obra empleada ......................................................187

7.2.

Costes indirectos ...........................................................................................190

7.3.

Costes totales del proyecto ............................................................................190

Conclusiones y Trabajos Futuros ............................................... 191

ANEXOS ................................................................................................ 195 CÓDIGO FUENTE ................................................................................. 197 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES .............................................................. 243 ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................. 247 ÍNDICE DE ECUACIONES.................................................................... 249 REFERENCIAS ..................................................................................... 251

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Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT.

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Glosario

Glosario CIR Centro Instantáneo de Rotación PFC Proyecto fin de carrera PPA Percepción, planificación, acción SPA Sense, plan, act SRI Standford Research Institute PWM Pulse width modulation SBC Single board computer PMDCM Permanent magnets direct current motor THT Thru hole technology SMT Surface mount technology LDO Low drop-out FET Field effect transistor PWM Pulse width modulation DSC Digital signal controller MIPS Millones de instrucciones por Segundo RAM Random Access Memory UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter CSV Comma Separated Values GDB GNU Debug

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6 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

1. Introducción. Objetivos y Justificación 1.1. El campeonato de robótica EUROBOT EUROBOT [1] es una competición de robótica amateur (no profesional) para equipos formados por participantes de hasta 30 años de edad. La primera edición tuvo lugar en 1998, surgida al amparo del gran éxito de la copa de Francia de robótica. Fue creado por la asociación de promoción de la ciencia y tecnología Planète Sciences [2], la productora televisiva VM Group y la ciudad donde se celebró la primera edición, La Ferté Bernard.

Rápidamente

adquirió un carácter internacional, de modo que para coordinar su organización se fundó la asociación EUROBOT. El objetivo de la asociación es promover el interés por la robótica y animar a los participantes a poner en práctica conocimientos científico-técnicos. Más que una competición, se pretende que sea una oportunidad para aplicar la imaginación, adquirir y aplicar conocimientos Además de la competición, en fechas anteriores tiene lugar la “International Conference on Research and Education in Robotics” un congreso orientado a la difusión de los trabajos de investigación en robótica móvil educativa, y que procura una gran oportunidad para que los participantes en el concurso tengan constancia de los últimos trabajos en esta materia. Cada país puede estar representado por un máximo de tres equipos en la fase final. Los países con más de 3 equipos inscritos deben realizar una competición nacional previa para seleccionar a los dos mejores, y una tercera plaza que será entregada en base a criterios no necesariamente competitivos.

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Introducción. Objetivos y Justificación

En España, esta prueba de clasificación es la Copa de España de Robots, celebrada en la Universidad de Alcalá de Henares de forma conjunta con la competición Alcabot - Hispabot [3]. Aunque la competición se ha venido celebrando en Europa, está abierta a equipos de otros continentes. Muy representativo de la vocación del concurso es el hecho de que los equipos internacionales acceden directamente a la final europea. Las competiciones nacionales en general están abiertas a participantes de otros países, y se anima a participar en cuantas más competiciones, mejor, de cara a perfeccionar y poner a prueba los robots. El perfil de los participantes es el de jóvenes integrantes de clubs de ciencias, estudiantes de carreras técnicas universitarias o aficionados a la tecnología, que encuentran en esta competición un terreno donde desarrollar sus inquietudes, realizar sus proyectos fin de carrera, aprender y divertirse.

1.2. AMUVA y el proyecto “Equipo AMUVA-EUROBOT” La Asociación de Microbótica de la Universidad de Valladolid (AMUVA) [4] surgió en 2002 en la ETSII de Valladolid como resultado del interés de un grupo de alumnos de dicha escuela por la micro-robótica (microbótica), con intención de compartir conocimientos, experiencias, y trabajar en equipo en esta área, como afición paralela a sus estudios. Pronto se desarrollaron distintas actividades para dar a conocer tanto

microbótica como a la propia asociación, teniendo un gran éxito de participantes de entre los cuales surgió un importante número de socios. Una de ellas fueron las” Primeras jornadas de iniciación a la microbótica”, en las que profesores y alumnos con conocimientos impartieron una serie de charlas orientadas a crear una base teórica de conocimiento sobre los distintos aspectos que confluyen en el diseño de un microbot, tales como sensores, actuadores o microcontroladores. Esta actividad sigue siendo parte del programa de la asociación.

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8 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

La actividad más importante que se puso en marcha fue el campeonato de robótica ROBOLID [5] en 2003, actividad estrella de la asociación y que en 2011 ha visto su novena edición con más de 100 robots inscritos, siendo un referente ya veterano a nivel nacional. Actualmente ROBOLID es un evento con formato de dos días en el que se celebran competiciones, conferencias y exhibiciones de robótica, con objetivos educativos en un ambiente lúdico. Algunas de las competiciones son estándar y se celebran también en otros eventos nacionales: sumo, minisumo, rastreadores y velocistas. La prueba de programación de microcontroladores es original y única en ROBOLID. En general los robots presentados son proyectos personales o de equipos de varias personas, y para desarrollarlos bastan conocimientos básicos en mecánica, electrónica y programación. Después

que

algunos

miembros

AMUVA

hubieran

adquirido

experiencias muy positivas en este tipo de robots, surgió el deseo de abordar proyectos robóticos más ambiciosos. Así, en 2004 dos de ellos decidieron diseñar y construir un robot para participar en EUROBOT, siendo éste su proyecto fin de carrera y consiguiendo un gran resultado. En años siguientes se planteó la formación de un equipo en AMUVA para participar de nuevo en esta competición. Los resultados no fueron los esperados y este proyecto se canceló en 2006. Desde entonces se ha planteado retomarlo en varias ocasiones, hasta que en 2011 se han dado las circunstancias adecuadas:  AMUVA cuenta con un grupo estable de socios activos con experiencia en distintas competiciones, de formación multidisciplinar (ingeniería industrial, de telecomunicación, electrónica…) y con interés en sacar adelante el proyecto.  Algunos socios han concluido sus estudios y trabajan en sectores afines a la robótica, aportando experiencia y estabilidad al grupo. Otros, inmersos en sus estudios, desean aprender en este campo y

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Introducción. Objetivos y Justificación

se plantean realizar su PFC, pudiendo en estas circunstancias asumir mayores responsabilidades.  La asociación ha alcanzado un nivel de madurez suficiente,

dispone de formas para financiar y apoyar el proyecto. Por todo esto, unido al interés personal del autor en el éxito de la iniciativa, se decide comenzar con el soporte técnico al proyecto “Equipo AMUVA-EUROBOT” en el presente proyecto fin de carrera.

1.3. Punto de partida Se asume que se parte de cero en lo que a reaprovechar equipos, medios o desarrollos se refiere: el material que se conserva está obsoleto, deteriorado, o no se dispone de documentación que haga viable su reutilización. Ser conscientes de esta circunstancia es en sí un activo, pues los trabajos que se emprenden deben evitar los errores pasados aprovechando las experiencias propias y observadas en equipos ya consolidados: Las recomendaciones que se desprenden son:  Desarrollar sistemas robustos, reutilizables y suficientemente documentados para que puedan formar parte de los activos que encuentren futuros participantes.  Plantear el conjunto, así como cada uno de los sistemas, desde un enfoque de mínimos: la primera exigencia al robot es homologar, para lo que a sus sistemas, debe exigírsele las prestaciones más básicas que puedan abordarse con garantías.  Ser conscientes de los objetivos inmediatos y siguientes, de modo que se trabaje en el presente con vistas al futuro. Puesto que es un hecho que en torno al desarrollo del robot surgen oportunidades y retos paralelos, otra premisa que se plantea es:  Trabajar con idea de conjunto, como oportunidad de desarrollar habilidades generales más allá de la robótica (comunicación, trabajo

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en equipo, diseño gráfico, herramientas software o project management ). Desarrollar un buen soporte hardware y software es la base de un sistema robótico fiable con posibilidades de crecer y abordar retos más exigentes. Los complejos sistemas con que compiten los equipos consolidados son el fruto de numerosas evoluciones, y hay que ser conscientes de que será necesario recorrer un camino para alcanzar ese nivel.

1.4. Especificaciones La prueba que se plantea en EUROBOT cambia cada año. Así, aspectos como el número de robots permitidos, elementos que se deben manipular, zonas del tablero de juego y otros cambian cada año. Sin embargo, sí se mantienen algunos elementos importantes como especificaciones de diseño: dimensiones de los robots, alojamiento de balizas para posicionamiento y exigencias de seguridad, que en muchos casos se actualizan año a año a través de un foro muy activo. Estudiando las misiones que se debían completar en distintos años, también se encuentran elementos comunes en estrategias de juego básicas. Todo ello permite abordar esta fase del diseño conducente a diseñar y construir sistemas útiles para una participación genérica en EUROBOT.

Siendo común a las bases de la mayoría de las ediciones, citando literalmente lo que se indica en la pasada edición de 2011, para la homologación se exige:

 Capacidad de abandonar la zona de comienzo y anotar un punto.  Cumplir las especificaciones técnicas.  Demostrar un funcionamiento seguro.

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Introducción. Objetivos y Justificación

1.4.1. Capacidad de abandonar la salida y anotar un punto Abandonar la zona de salida suele ser una maniobra simple que puede realizar cualquier sistema de tracción (avanzar, girar hacia un lado, etc.). A pesar del distinto formato que la competición adquiere cada año, y que suele requerir manipuladores óptimos específicos, en la mayoría de las ocasiones el robot sería capaz de puntuar realizando secuencias de movimiento controladas, con las que desplace objetos por simple empuje, o por situarse en determinadas áreas del terreno de juego. Esta capacidad de realizar movimientos controlados le habilita para abandonar la zona de comienzo. Luego es condición necesaria, y suele ser suficiente.

1.4.2.

Cumplir las especificaciones técnicas

Las especificaciones técnicas van desde dimensiones hasta valores máximos de ciertas magnitudes, y su conocimiento y comprensión son imprescindibles en cualquier área de trabajo del proyecto.

1.4.3.

Funcionamiento seguro

Es exigencia en todos los casos que el robot no represente un peligro ni para las personas ni para otros robots en su funcionamiento.

Muchas de las

especificaciones técnicas van encaminadas a este objetivo: limitaciones de voltaje, de presión, restricción de uso de equipos potencialmente peligrosos para la salud de las personas, medidas de seguridad pasivas o de emergencia… En lo referente a su funcionamiento en los partidos, la seguridad se concreta en la exigencia de que el robot sea capaz de evitar colisiones con el robot oponente.

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1.5. Objetivos En el presente proyecto fin de carrera, se pretende emprender el camino a la participación en la competición EUROBOT dentro del proyecto organizativo y de actividades de la Asociación de Microbótica de la Universidad de Valladolid (AMUVa). Los esfuerzos se van a centrar en:  Estudiar y proponer una arquitectura robótica adecuada.  Diseñar y construir una plataforma capaz de soportar el futuro conjunto y las necesidades de movimiento.  Diseñar una placa electrónica basada en microcontrolador que soporte el control del movimiento, a bajo nivel, así como otras funciones básicas.  Estudiar

documentar

las

posibilidades

que

ofrece

microcontrolador dsPIC33F como núcleo de la placa de control.  Abordar la configuración del microcontrolador en un modo suficiente para que quede disponible de forma inmediata a algoritmos de control.  Extraer conclusiones y lecciones aprendidas del trabajo realizado y avanzar líneas de trabajo con las que continuar la labor. Todo ello teniendo en cuenta la austeridad de medios y presupuesto con que se cuenta.

1.6. Estructura de la memoria En los capítulos sucesivos se desarrolla el diseño y la construcción de los sistemas que forman la plataforma robótica. En el segundo capítulo se plantean distintos enfoques para el problema desde la teoría de arquitectura robótica.

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Introducción. Objetivos y Justificación

En el capítulo tres se analizan las consideraciones sobre forma y dimensiones de los componentes que forman el robot para plantear una arquitectura física y llevar a cabo el diseño mecánico. Se plantean distintas alternativas para vehículos con ruedas y se razona la elección realizada. Se describen los requisitos para los motores del robot, y se diseñan las piezas necesarias para servir de armazón al conjunto. En el cuarto capítulo se aborda la arquitectura de los sistemas electrónicos que controlan el funcionamiento del robot y se desarrolla el diseño y construcción de todo el sistema de tracción del robot, En el capítulo cinco se presenta la elección de un microcontrolador adecuado a la tarea de gestionar el control de tracción del robot. La adaptación a sus funciones específicas en esta aplicación se realiza mediante la configuración de sus periféricos, que son descritos al objeto de servir de guía para el desarrollo de aplicaciones utilizando el robot como soporte. El gobierno del microcontrolador se encarga a un programa de control, para el que se explican las herramientas de desarrollo y el lenguaje de programación utilizado. En el sexto capítulo se comienza por exponer las pruebas realizadas sobre prototipos de los sistemas diseñados, y se continúa con la descripción de los ajustes y pruebas sobre el robot ya construido. Se hace hincapié en los ajustes realizados para mejorar su desempeño en el movimiento. En el capítulo siete se hace un estudio económico para valorar los recursos materiales y humanos que han sido necesarios para llevar a cabo este proyecto. En el capítulo ocho se concluye la memoria con las conclusiones sobre los trabajos realizados y se apuntan las líneas de interés para futuros desarrollos.

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Arquitectura del Robot

2. Arquitectura del Robot Se desea elaborar el modelo de un robot móvil autónomo para desarrollar una serie de funciones habituales, en este caso para la competición EUROBOT, sin pérdida de generalidad. Resulta intuitivo que, para cumplir unos objetivos previamente marcados, será necesario que el robot adquiera información del entorno, la procese y lleve a cabo acciones tales como

movimientos, manipulación de objetos, y síntesis de

información. Por tanto, los elementos básicos que lo hacen posible se podrán clasificar en:  Sensores: todo elemento o sistema cuyo papel es captar información del estado físico del entorno o del propio robot.  Actuadores: aquellos elementos de los que el sistema robótico dispone para modificar el plano físico.  Unidad de control: elemento que toma decisiones en base a unas órdenes (objetivos) y a la información recibida de los sensores, y las materializa en el plano físico gracias a los actuadores. La unidad de control podría ser de muy diversa naturaleza (sistema neumático, electromecánico, electrónico). Sin embargo, por sus superiores prestaciones el sistema de control suele recaer en medios electrónicos. Asumiendo por tanto un sistema de control electrónico, existe la opción de implementar las funciones de control por medios hardware o software ( la función de control se implementa sobre un soporte genérico gracias a un programa específico). En la actualidad para cualquier sistema con una cierta complejidad resulta ventajoso implementar el control por software sobre un dispositivo programable (FPGA, microprocesador, microcontrolador), abstrayendo buena parte de la capa física de los componentes electrónicos gracias al código. Se incidirá en esto en el apartado dedicado a la arquitectura hardware.

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En este punto, queda claro que para la aplicación que nos ocupa, será el software o código quien determine cómo se dispone de los recursos del sistema para llevar a cabo las tareas. Dependiendo de la complejidad del diseño, será necesario abordar el problema en niveles de abstracción que lo hagan más manejable. La arquitectura de control establecerá un sistema jerárquico de estos niveles sobre los que se implementará el código de control. A lo largo de la historia de la robótica se han seguido tres corrientes principales:  Arquitecturas de descomposición funcional (o deliberativas).  Arquitecturas reactivas  Arquitecturas híbridas En realidad, cada corriente se divide en un número amplio de arquitecturas de distinta naturaleza, y podrían hacerse otras muchas clasificaciones. Se expondrán a grandes rasgos de forma que se ilustre la elección de una arquitectura adecuada para el robot que nos ocupa.

Aunque en cualquier época se han aplicado soluciones basadas en todas ellas, cada arquitectura ha predominado en un determinado momento según el estado de la técnica. Aquí se exponen de forma casi cronológica, coincidiendo con la evolución del grado de madurez sobre las ideas más intuitivas.

2.1. Arquitecturas de descomposición funcional 2.1.1.

Arquitecturas PPA

Los primeros enfoques en la arquitectura del control fueron bastante intuitivos y se basaron en el concepto de bucle PPA (Percepción, Planificación, Acción), SPA (Sense, Plan, Act) en literatura inglesa. Se basa en dividir todo el sistema en tres módulos que, por analogía con los elementos funcionales básicos antes descritos, realizan tareas de percepción, Izcara Autillo, Vicente

Arquitectura del Robot

procesamiento (o planificación) y acción. Mediante un sencillo bucle puede hacerse que el robot transforme las percepciones en actos, utilizando únicamente estos tres módulos, según se representa en la Ilustración 1. El módulo de percepción obtiene los datos de los sensores, y los procesa, para darlos en formato

adecuado para el módulo de procesamiento. Por tanto este

módulo transforma los datos de entrada (transforma su dominio o filtra datos indeseados) y crea un canal de comunicación entre la CPU y los sensores. El módulo de procesamiento recibe los datos del módulo de percepción y los procesa en concordancia con los objetivos programados. Su salida será una serie de órdenes para el módulo de acción. Finalmente, el módulo de acción ejecuta las órdenes recibidas desde el módulo de procesamiento, accediendo directamente a los actuadores del robot, creando un canal de comunicación entre éstos y la CPU o adecuando niveles de señal.

Ilustración 1. Arquitectura sensor-control-actuador

El precursor de esta arquitectura fue el robot Shakey [6], desarrollado entre 1966 y 1972 en el SRI (Standford Research Institute). Es considerado el primer robot capaz de actuar en base a razonamientos (frente a órdenes puras).

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18 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

2.1.2.

Arquitecturas basadas en pizarra

Los sistemas de pizarra han demostrado ser muy prácticos en el diseño de arquitecturas de control de robots móviles, aunque en general las soluciones más prácticas son las híbridas que combinan estas ideas con conceptos de otras arquitecturas. Entre los trabajos realizados con arquitectura basada en pizarra destacan los trabajos que desde 1985 viene realizando el investigador Hayes-Roth [7]. Básicamente, un sistema de pizarra consta de tres elementos: la pizarra propiamente dicha, los agentes que utilizan la pizarra, y un módulo de planificación de los accesos a la pizarra.

Ilustración 2. Esquema básico de arquitectura basada en pizarra

La pizarra es una memoria compartida a la cual tienen acceso varios procesos (los agentes), coordinados por medio de un proceso especial (planificador). Sobre la pizarra se almacena toda la información sensorial que, en muchos casos, pasará previamente por un módulo de percepción que realizará una fusión sensorial. En esta fusión sensorial se combina la información de distintos sensores, dándoles prioridad allí donde son más efectivos.

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Arquitectura del Robot

Los sistemas de pizarra facilitan el trabajo de varias tareas en paralelo, pero tiene inconvenientes como el cuello de botella que supone la pizarra en sí misma.

2.2. Arquitecturas reactivas Las arquitecturas deliberativas tenían una latencia enorme, muy poco adecuadas para sistemas que tuvieran que adaptarse rápidamente a cambios en el entorno, o simplemente desenvolverse en entornos desconocidos. Difícilmente se podían abordar obstáculos móviles, en otras palabras, reaccionar. El origen de la incapacidad de esta arquitectura era la cognición como intermediaria entre la percepción y la acción. En 1987, Brooks [8] propone una visión radicalmente diferente, al introducir el concepto de arquitectura reactiva, defendiendo que es posible simular un comportamiento inteligente sin necesidad de tener un modelo del entorno. Brooks basó sus ideas en la observación del comportamiento de los insectos, quienes sin disponer de complejos modelos del mundo que les rodea, actúan en cada momento movidos por los estímulos que reciben del exterior a través de sus sentidos. Extrapolando esto a la arquitectura de control, supone que en cada momento, sólo un módulo tome el control, por lo que, al ser módulos muy sencillos, la respuesta podrá ser rápida. La decisión de qué módulo toma el control no la realiza ningún proceso planificador, sino que estará preestablecida (de igual modo que, por ejemplo, los actos reflejos se imponen a los voluntarios al desencadenarse). Las arquitecturas de descomposición funcional se basaban en una división vertical del problema de control. Dicha división define comportamientos o capas de competencia que son incapaces de controlar al robot por sí solas.

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Ilustración 3. Competencias verticales de arquitecturas clásicas

Cabe resaltar que los sistemas clásicos trabajan de forma secuencial. La llamada Arquitectura Subsumption propuesta por Brooks [8] está compuesta por niveles de comportamiento con entradas y salidas, cada uno de los cuales es considerado como una capa de la arquitectura. Propone un enfoque horizontal que difiere del enfoque vertical clásico.

Ilustración 4. Enfoque horizontal de la arquitectura Subsumption

Es importante resaltar que estas capas trabajan de forma independiente y paralela. Las capas superiores definen comportamientos más complejos que las de

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Arquitectura del Robot

abajo, de modo que las superiores pueden “subsumir” (inhibir o suprimir) datos de capas inferiores.

Ilustración 5. Capas de comportamiento de la arquitectura Subsumption

2.3. Arquitecturas híbridas Las arquitecturas reactivas solucionan muchos de los problemas inherentes a las arquitecturas deliberativas, pero también introducen nuevos inconvenientes importantes. Conviene por ello recapitular sobre los principales pros y contras de las soluciones vistas: La arquitectura PPA tiene a su favor el que utiliza modelos de alto nivel, adecuado para algoritmos complejos. Como principal inconveniente es su dificultad para reaccionar ante cambios bruscos del entorno. El entorno puede cambiar en el relativamente largo tiempo que requiere planificar acciones a partir de la información recibida. Las arquitecturas de pizarra introducen el procesamiento en paralelo (más rápido), pero el acceso a memoria compartida es un cuello de botella. Por último, las arquitecturas reactivas permiten una capacidad de reacción muy rápida, y son necesarios diseños hardware y software más sencillos. Por el

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22 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

contrario, al no disponer de modelos del entorno limita mucho la funcionalidad del robot para tareas que requieran cognición. Su diseño es además difícil de modificar.

Teniendo en cuenta todo esto, las arquitecturas más generalizadas actualmente son aquellas que utilizan una solución híbrida, tomando lo mejor de cada opción. La solución reactiva se ha mostrado eficaz ante cambios repentinos del entorno, por lo que sus ideas suelen estar presentes en cualquier solución híbrida, como base, teniendo por encima otras capas con modelos del entorno y algoritmos de planificación de alto nivel.

2.4. Arquitectura propuesta para este proyecto robótico La arquitectura no juega un papel importante para robots que realizan tareas simples, entendido como las que pueden ejecutarse de forma atómica. Sin embargo, es muy importante para robots que van a realizar tareas complejas. Estudiar las diferentes arquitecturas de control que se han propuesto a lo largo de la historia es una herramienta potente de cara a plantearse cómo abordar la arquitectura del robot para mejor satisfacer objetivos. En general la mejor opción es dividir en tareas simples que se coordinan de cierta manera. Para mejor comprensión de las implicaciones de la arquitectura de control, se plantea un caso representativo de nuestro robot satisfaciendo sus objetivos al cumplir estas dos tareas:  Posicionarse en las inmediaciones de un objeto  No colisionar con obstáculos Parte de una posición cualquiera, y dispone de una red sensorial y de actuadores suficientes para abordar las tareas. En el recorrido natural entre su origen y destino hay un obstáculo.

Izcara Autillo, Vicente

Arquitectura del Robot

Enfocando el problema con una arquitectura de control deliberativa, puede plantearse esta explicación coherente de sucesos: El sistema sensorial detecta el objeto al que debe aproximarse. La tarea “detección de objeto” se puede interpretar como un procesado de la información de los sensores, contraste con unos patrones, y aceptación o rechazo de la información como representativa del fenómeno “presencia de objeto”. Del mismo modo, la tarea “detección de obstáculo” hace lo propio con otra naturaleza de objetos. Estas tareas no tienen mando sobre la tracción. La tarea “navegación” es informada por “detección de objeto”, y paralelamente por “detección de obstáculo” y en base a la información que toma (en exclusiva o de forma compartida) de los sensores, y en base a su modelo del entorno o mapa, genera una trayectoria, dando órdenes pertinentes a la tarea “tracción”, quien lo convierte en comandos de bajo nivel de velocidad y giro de las ruedas. Este bucle se repite de forma indefinida, de forma que las tareas globales se realizan mediante ejecución secuencial de otras. Por tanto, para cada paso que da el robot hacia su objetivo de alcanzar el objeto, hay una etapa de adquisición de información, procesado junto al modelo del entorno, y finalmente orden de movimiento. Esto puede permitir alcanzar los objetivos. Pero se observan varias debilidades:  Entre el instante de adquisición de información y el de orden de movimiento, media un tiempo de procesamiento del entorno, de patrones y otros que exige capacidad de computación.  El sistema no podrá reaccionar ante cambios producidos en ese período de procesamiento, luego será vulnerable en la medida del tamaño de ese período.

Las fortalezas del modelo serán:  Puesto que se trabaja con un modelo del entorno, las decisiones pueden ser “óptimas”: elabora la trayectoria más corta teniendo en Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

24 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

cuenta el obstáculo. Además en cada instante sólo se ejecuta una tarea, Una sucesión secuencial de tareas es sencilla de programar y consume pocos recursos. Como alternativa desde el enfoque de una arquitectura reactiva, el desarrollo del control podría ser como sigue: Las tareas “detección de objeto” y “detección de obstáculo” implementan las dos tareas básicas del robot. La tarea “detección de objeto” se vale de la información de los sensores para ordenar a los motores comandos de movimiento que conduzcan al robot hacia el objeto. “Muévete hacia allí”. Paralelamente la tarea “detección de obstáculo” se vale de la misma (pizarra) u otra información para ordenar a los motores esquivar el objeto. “Apártate de ahí, moviéndote hacia allá” Por tanto ambas tareas son suficientes para comandar los motores, y por ello pueden entrar en conflicto. El conflicto se puede resolver de distintas manera, la más sencilla un “todo para el vencedor”, por ejemplo, priorizando la seguridad de la tarea detección de obstáculos que, una vez completada, devuelve el control a “detección de objeto”. Las fortalezas de esta arquitectura son evidentes: en todo instante se está ejecutando tanto la tarea de seguridad como la de objetivo final, en base a procedimientos sencillos y rápidos. La velocidad de respuesta frente a cambios es muy rápida. No se necesita generar un modelo del entorno, y en ese sentido se necesitan menos recursos. Sin embargo aparecen otras debilidades: al no disponerse de un modelo del entorno, no se planifica, y las decisiones no serán necesariamente óptimas. Además de que las tareas se ejecutan de forma concurrente (en paralelo), y eso supone en general la figura de un planificador y despachador de tareas (un sistema operativo), por lo que la programación será más compleja o cuanto menos, habrá que subir de nivel de abstracción. Izcara Autillo, Vicente

Arquitectura del Robot

Lo ideal parece disponer de la optimización que proporciona el modelo deliberativo junto a la capacidad de respuesta del reactivo. Y eso es lo que se va a plantear: un modelo híbrido con rasgos específicos de algunas arquitecturas básicas según un escalonamiento por niveles de abstracción.

2.4.1.

Niveles de la arquitectura de control

Al referirnos en este apartado a los niveles de la arquitectura de control, lo hacemos con intención de planificar lo que será el sistema robótico completo, para pasar a desarrollar como entregables de este proyecto, sistemas correspondientes al más bajo nivel (niveles físico y reactivo). Comenzando por el nivel físico como el responsable de las tareas más básicas, al más bajo nivel, se irán implementando tareas más complejas, primero en un nivel reactivo, responsable de la respuesta del robot a estímulos que requieren respuesta en tiempo real (por ejemplo, todas las tareas relativas a seguridad, movimiento del robot, detección de obstáculos o de hitos y tareas específicas desempeñadas por manipuladores o herramientas). Por encima, en un nivel deliberativo se gestionarán las tareas de navegación del robot sobre el tablero de juego. Por último, en el nivel superior de control, se gestionará la planificación global de tareas y la estrategia de juego, a través de un secuenciador. Entre estos niveles se deben crear otros de enlace que relacionen los objetos creados en un nivel de abstracción con los del nivel siguiente. Entre el nivel físico y el reactivo, existirá una capa software a bajo nivel que relacione los componentes físicos con los comportamientos reactivos. Como ejemplo, puede citarse la configuración del módulo PWM del microcontrolador, el controlador de interrupciones y los sensores de presencia cercana para que ante el estímulo de detección de un obstáculo la acción inmediata sea la detección del robot. Otra de las tareas que deben implementarse al más bajo nivel es la gestión del giro de los motores que soportan la tracción del robot, de modo que resulte algo transparente a los niveles superiores, por analogía a como ocurre en las personas

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26 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

la acción de desplazarse: a pesar de ser un acto voluntario, el movimiento de las piernas es casi “automático”. En el nivel deliberativo será necesario desarrollar en el robot estructuras más complejas:  Modelo de sí mismo.  Modelo del entorno (espacio de juego) en el que el robot desarrollará sus funciones: zonas, elementos de juego, obstáculos, etc.  Modelo del oponente (agente móvil). Las bases de la prueba se preveen alojamientos para

un sistema de balizas que permitan

localizarse a uno mismo y al contrario. El modelo del oponente puede partir de uno estático simple (posición), crecer hacia otro dinámico (añadiendo su dirección de movimiento) e incluso estimar su estado o estrategia de juego.  Base de datos de conocimiento y aprendizaje: el modelo del entorno debe ser dinámico y aprovechar la información que se capture. En este punto cobra especial interés la arquitectura de pizarra, en el que los distintos bloques anotan en una memoria común la información que capturan, que será luego seleccionada por otros según prioridades. Se implementará la tarea de navegación deliberativa, entendida como el procesamiento de la información de localización del robot y de localización del destino para definir trayectorias de recorrido. Para trabajar de forma eficiente en este nivel lo adecuado sería hacerlo a alto nivel de abstracción, con tareas concurrentes, para lo que será necesario un sistema operativo de soporte.

Por último, un secuenciador será quien al más alto nivel planifique la ejecución de la estrategia de juego, determinando cuáles deben ser las tareas activas en cada etapa, y marque su comienzo y su fin.

En la siguiente gráfico se pretende resumir la naturaleza de la arquitectura que se va a adoptar. El desarrollo y concreción de los niveles se irá realizando a medida Izcara Autillo, Vicente

Arquitectura del Robot

que el robot vaya creciendo, de modo que los niveles más básicos serán los que primero se desarrollen mientras los niveles superiores sólo se presentan de forma somera.

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28 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

ARQUITECTURA DEL ROBOT NIVEL SECUENCIAL -

Gestión de la estrategia general Planificación de necesidades Secuenciación de etapas Aprendizaje de alto nivel (procedimientos)

SUBNIVEL DE ENLACE

N I V E L

NIVEL DELIBERATIVO -

Sistema operativo Sistema de comunicaciones Modelo del entorno Modelo de sí mismo Navegación Aprendizaje de conceptos

SUBNIVEL DE ENLACE

NIVEL REACTIVO -

Conductas reactivas Mecanismos de coordinación Lectura de sensores Integrador de órdenes

SUBNIVEL DE ENLACE

NIVEL FÍSICO -

Chásis del conjunto y estructura mecánica Sensores y actuadores CPU y periféricos Sistema de alimentación Sistema de conexiones internas y con el exterior

Izcara Autillo, Vicente

D E A B S T R A C C I Ó N

Arquitectura del Robot

Escuela de IngenierĂas Industriales â&#x20AC;&#x201C; Universidad de Valladolid

Arquitectura Física y Diseño Mecánico 31

3. Arquitectura Física y Diseño Mecánico 3.1. Arquitectura física Definir la arquitectura física del sistema consiste en fijar las especificaciones en cuanto a:  Tamaño  Organización de los bloques en el volumen asignado  Principio de funcionamiento  Elección de materiales  Diseño de los componentes físicos. teniendo en cuenta los aspectos mecánicos del robot y las interrelaciones mecánicas de esos componentes.

Para las especificaciones de cualquier

bloque físico, deben tomarse en

cuenta:  Función  Señales de control  Tamaño y peso  Consumo de energía  Organización espacial en el robot.

Para definir la arquitectura física de un robot, deben tomarse en cuenta las condiciones del ambiente de operación impuesto por la aplicación del robot ya que restringe o impide la utilización de ciertos fenómenos físicos para los mecanismos Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

32 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

de actuación, así como la captura y el almacenamiento de energía (y determina en qué medida podrá autoabastecerse). En este caso, las normas previenen que el espacio de juego es un medio con condiciones de ambiente no reguladas. La

arquitectura

física

del

robot

permite

identificar

los

sistemas

electromecánicos necesarios para lograr las funciones deseadas. Entre los parámetros típicos especificados para

sistemas electromecánicos, se incluyen

fuerzas, desplazamientos, potencia, eficiencia o velocidades. También, es de vital importancia considerar el costo de fabricación o adquisición de los sistemas y la viabilidad de su fabricación o montaje con los procesos disponibles.

Plataforma móvil

3.1.1.

Del mismo modo que en el resto de niveles de diseño, se pretende crear un conjunto suficientemente versátil como para servir de soporte a una participación genérica en EUROBOT. Será una tarea posterior, y que excede los objetivos de este proyecto, el adaptar los sistemas a una determinada prueba anual y dotarlo de herramientas para satisfacer tareas específicas. Se pretende diseñar modularmente teniendo en cuenta las necesidades más habituales tanto en el ámbito mecánico como en placas electrónicas y sistemas auxiliares. Una plataforma móvil servirá de base a todo el conjunto. En ella estará anclado el sistema de tracción así como la estructura que sirva de soporte para los demás bloques del robot. Llegados a este punto es necesario definir la forma en que se dotará de movimiento al robot. Hay numerosas alternativas, de entre las que pueden citarse:  Tracción ápoda: imita la forma de moverse de seres reptantes. Un proyecto interesante de este tipo es el robot-gusano cube [9].  Tracción n-poda: basado en un cierto número de patas, par en general, que se mueven individualmente según una secuencia de movimientos. Dentro de los de dos patas se encuentran los humanoides, que imitan la forma humana. A partir de cuatro patas el problema de la inestabilidad se consigue resolver con el concepto de

Izcara Autillo, Vicente

Arquitectura Física y Diseño Mecánico 33

triángulo de estabilidad, encontrando interesantes proyectos de fuente abierta como R4P[10], siendo frecuentes los robots hexápodos para aplicaciones en los que el entorno es irregular. Un ejemplo de este tipo es el del robot Melanie III [11].  Tracción mediante ruedas o cadenas: Existen diseños muy variados también dentro de estas familias. De entre los tipos expuestos, se descarta el uso de robots ápodos por las restricciones que impone su fisonomía.

En cuanto a los robots con patas, aunque es extremadamente infrecuente, sí ha habido ya en Eurobot casos de equipos que han utilizado esta configuración, como el equipo francés

XD [12]

participante en la edición EUROBOT 2011, desplegando estrategias muy originales gracias a su modelo híbrido de patas con ruedas.

Ilustración 6. Robot XD Eurobot 2011

Los robots que utilizan patas para su desplazamiento, pueden presentar problemas añadidos para mantener la estabilidad en movimiento, por lo que a pesar de ser una opción atractiva, se descarta en base a la premisa de sencillez que se ha adoptado. Por último, los robots que se desplazan gracias al giro de sus ruedas o cadenas son los más frecuentes debido a que son más sencillos de diseñar, construir y controlar. Por esta razón, encajan mejor con los objetivos que aquí se pretende alcanzar, y se ha optado por este sistema. Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

34 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

En cuanto a la configuración espacial, es algo que suele variar año tras año, pero como es lógico, en el nivel más cercano al suelo se encontrará la bancada para el eje de las ruedas, unidas de forma directa o con una transmisión a los motores. En la zona baja suele ser necesario disponer de espacio para albergar mecanismos o manipuladores de los objetos de juego. En este aspecto es conveniente prever flexibilidad en esta zona, y situar los bloques menos exigentes en cuanto a su ubicación (placas electrónicas, sistemas auxiliares y alimentación) en niveles superiores. Pero por otro lado, en pos de la estabilidad de la máquina, habrá que encontrar un compromiso porque conviene que el centro de gravedad quede lo más centrado y cercano al suelo que se pueda.

En cuanto al tamaño en planta, para las ediciones con un sólo robot las bases exigen un perímetro menor de 1200 mm, que se puede extender hasta los 1400 mm si se decide desplegar apéndices.

Ilustración 7. Dimensiones en planta según normativa

Respecto a la altura y la organización de los bloques en el volumen asignado, se imponen condiciones con objeto de permitir la ubicación e impedir la perturbación de un sistema de balizas:

Izcara Autillo, Vicente

Arquitectura Física y Diseño Mecánico 35

Leyenda 1. Baliza fija LxWxH: 80x80x160 mm 2. Baliza móvil LxWxH 80x80x80 mm 3. Mástil: área bajo el soporte de baliza móvil

Ilustración 8. Altura permitida según normativa

3.2. Configuración de vehículos con ruedas Los vehículos con ruedas son la solución más simple para conseguir movilidad en vehículos sobre terrenos regulares, firmes y con buena adherencia, condiciones que cumple el terreno de juego de la competición. Partiendo de esta base común, las diferentes configuraciones que pueden adoptar las ruedas confieren capacidades muy distintas a los vehículos que las incorporan.13

3.2.1.

Configuración Ackerman o “tipo coche”

Es la utilizada en los automóviles y vehículos de cuatro ruedas convencionales. Se basa en dos ruedas traseras (tractoras o no) que giran en un eje perpendicular a la dirección longitudinal del vehículo, mientras que la dirección recae sobre las ruedas delanteras, que pueden orientar su eje de giro. Para eliminar el deslizamiento que provocan los sobrevirajes de la plataforma, la rueda delantera interior gira un ángulo ligeramente superior a la rueda exterior, de forma tal que los ejes de prolongación de las ruedas delanteras (directrices) se cortan en el CIR (centro instantáneo de rotación), que se sitúa en la prolongación del eje de las ruedas traseras (en general, motrices). Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

36 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Las trayectorias que trazan los centros de las ruedas en ausencia de deslizamiento son circunferencias concéntricas en el CIR. En los vehículos con configuración Ackerman, se presentan dos ángulos de giro, uno en cada rueda directriz, por lo que para simplificar el diseño mecánico y el control se suele unificar este ángulo. Esto introduce una inconsistencia en el modelo pues existirá necesariamente deslizamiento, por lo que para minimizar sus consecuencias, estos vehículos adoptan radios de giro mayores que en otras configuraciones, en detrimento de la maniobrabilidad.

Ilustración 9. Configuración Ackerman

3.2.2.

Configuración tipo triciclo

Este sistema de locomoción se basa en una rueda delantera que sirve tanto para la tracción como para el direccionamiento, mientras el eje trasero cuenta con dos ruedas laterales que giran libremente. La maniobrabilidad es mayor que en la configuración Ackerman debido a tener una única rueda de dirección, pero puede tener mayores problemas de estabilidad y de pérdida de adherencia.

Izcara Autillo, Vicente

Arquitectura Física y Diseño Mecánico 37

Ilustración 10. Configuración tipo triciclo

3.2.3.

Tracción diferencial

En esta configuración el direccionamiento se consigue gracias a la diferencia de velocidad de las ruedas tractoras laterales. Dos ruedas paralelas montadas en un mismo eje son propulsadas de forma independiente, de modo que la velocidad del centro de cada rueda sea siempre paralela a la rueda y proporcional (siendo el radio el factor de proporcionalidad) a la velocidad de giro de esa rueda. Por tanto, el Centro Instantáneo de Rotación (CIR) del vehículo se encuentra siempre sobre la dirección del eje de las ruedas, a una distancia del centro del eje que depende exclusivamente de la velocidad absoluta de los centros de las ruedas. El vehículo con esta configuración de sus ruedas puede cambiar de orientación sin desplazarse (girando sobre sí mismo), pero no puede desplazarse en la dirección del eje de las ruedas. Las velocidades de giro de estas ruedas serán los parámetros de control. Para conferir estabilidad al conjunto se suelen proveer apoyos adicionales como ruedas locas. El modelado cinemático de esta configuración es sencillo y fácil de controlar, por lo que de forma directa o con algunas modificaciones es muy utilizado.

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38 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Ilustración 11. Configuración diferencial

3.2.4. Configuración con ruedas o pistas deslizantes (Skid Steer) Se disponen varias ruedas en cada lado del vehículo que actúan de forma simultánea, ya sea directamente o bien solidarizadas por bandas deslizantes (cadenas). El movimiento será el resultado de combinar las velocidades de las ruedas de la izquierda con las de la derecha. Se utiliza especialmente para movimiento sobre terrenos irregulares o con menor adherencia, lo que por otro lado permite el deslizamiento lateral de las ruedas para lograr el giro del vehículo, con buen rendimiento. En la ilustración Ilustración 12 configuración.

Izcara Autillo, Vicente

se muestra el aspecto típico de esta

Arquitectura Física y Diseño Mecánico 39

Ilustración 12. Robot AURIGA, universidad de Málaga

3.2.5.

Configuración de ruedas síncronas

Consiste en la actuación simultánea de todas las ruedas, que giran a la vez en torno a su eje y se orientan en una misma dirección gracias a un mecanismo de giro en el eje vertical. Las configuración más típica es la de tres ruedas que se acoplan en los vértices de un triángulo equilátero, bajo una plataforma cilíndrica. La principal ventaja de este sistema es que permite que el robot se desplace en cualquier dirección.

Ilustración 13. Configuración de ruedas síncronas

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40 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

3.2.6.

Tracción omnidireccional

Este sistema de tracción se basa en la utilización de tres ruedas directrices y motrices. En esta configuración el móvil dispone de tres grados de libertad, por lo que se puede realizar cualquier movimiento en el plano, y posicionarse

cualquier posición en cualquier orientación. No presenta limitaciones cinemáticas. Esto se consigue gracias a un tipo particular de ruedas que gracias a unas hileras de rodillos pueden trasladarse en dirección perpendicular a la de rodadura. Así, gracias al giro a velocidades independientes de tres ruedas cuya orientación difiere 120º se puede obtener cualquier movimiento.

Ilustración 14.Rueda sueca u omnidireccional

Ilustración 15. Robot omnidireccional

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Arquitectura Física y Diseño Mecánico 41

3.2.7.

Configuración elegida. Justificación

Una vez descritas las configuraciones más habituales para la plataforma móvil de un vehículo con ruedas, se procede a valorar las distintas opciones y elegir una de ellas. En primer lugar, respecto a las exigencias impuestas por el terreno de juego, puesto que es una superficie lisa, firme y con buena adherencia, en la que no hay que transitar por obstáculos, no será necesario utilizar orugas ni un número elevado de ruedas. Las tareas típicas que deben realizarse incluyen recoger, transportar y depositar objetos mediante manipuladores que requieren que el robot aborde el objeto a una distancia corta y en una orientación determinadas. Por ello,

necesita que la configuración permita una elevada maniobrabilidad, siendo muy recomendable que el vehículo pueda rotar sobre su centro. Teniendo esto en cuenta, se descartan las configuraciones Ackerman y tipo triciclo. La configuración de ruedas síncronas permitiría trasladarse en cualquier dirección, pero no permite el giro sobre sí mismo, y por tanto exigiría que para orientar un manipulador éste estuviera montado sobre una plataforma giratoria “tipo torreta”, lo que supone una complicación no deseable y es descartada también. Hasta este punto, cumplen requisitos las configuraciones diferencial, skid-steer de varias ruedas y la tracción omnidireccional. Esta última es la más maniobrera pues permite teóricamente tanto el giro sobre sí mismo del vehículo (spin) como el movimiento en cualquier dirección para cualquier orientación del vehículo. Sin embargo, la cinemática es más complicada, ya que el movimiento se consigue con 3 grados de libertad (tres motores que giran independientemente), exige ruedas especiales y una ubicación de estas muy concreta en la base del vehículo. Por el contrario, la configuración diferencial no permite más que el movimiento en la dirección en que el robot está orientado, y necesita apoyos auxiliares (como ruedas locas, patines, bolas de castor…) pues con dos ruedas la plataforma no sería intrínsecamente estable. Pero su cinemática con dos grados de libertad es sencilla y la ubicación de sus ruedas es fácil de modificar.

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La configuración skid-steer de varias ruedas es una variante de la diferencial que por presentar cuatro o más ruedas no requiere los citados apoyos auxiliares. No será rigurosamente válido el sencillo modelo cinemático de la diferencial puesto que para que exista el giro es imprescindible el deslizamiento de las ruedas, pero sí puede establecerse un modelo diferencial aproximado. Además, aunque supone una dificultad para el giro, el que disponga de varias ruedas paralelas en cada lado del vehículo lo hace más robusto en la descripción de trayectorias rectilíneas que la configuración diferencial con una rueda por lado. En definitiva, se adoptará una configuración skid-steer de cuatro ruedas, con dos ruedas paralelas en cada lado, y se utilizará un modelo cinemático diferencial aproximado, conscientes de que no se cumple la hipótesis de no deslizamiento de las ruedas en el giro, pero que puede ser una aproximación razonable que habrá que validar experimentalmente.

3.3. Diseño mecánico de la plataforma móvil Llegado este punto se ha concretado ya la configuración de la plataforma móvil, con dos bloques paralelos de dos ruedas cada uno. En el modelo cinemático diferencial aproximado que se pretende utilizar, se tienen dos grados de libertad:  i y  d , que representan el ángulo girado por la rueda ideal equivalente del lado izquierdo y derecho respectivamente. Al implementar el sistema real con dos ruedas por lado, además de realizar las transformaciones geométricas pertinentes, será necesario accionar las dos ruedas de cada lado de forma solidaria entre sí. Vamos a considerar que, a efectos de sincronismo de ambas ruedas, el hecho de que estén montadas sobre ejes rígidamente amarrados a un bastidor y que pueden considerarse sólidos rígidos, junto a una hipótesis de que no hay deslizamiento de las ruedas sobre el suelo en dirección tangencial a ellas, asegura que ruedas de idéntico radio se moverán a la misma velocidad angular.

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Arquitectura Física y Diseño Mecánico 43

Esta será una restricción cinemática, de modo que no depende de la naturaleza del accionamiento de las ruedas. Nótese que la hipótesis de no deslizamiento en dirección tangencial a las ruedas no implica que sí pueda haberlo en dirección perpendicular a su plano en el punto de apoyo, y que de hecho lo habrá necesariamente para lograr giros. Podemos optar por accionar las dos ruedas de un bloque con un único motor que entregará todo el par y potencia necesarios, o accionar cada rueda con un motor, de modo que serán necesarios varios motores que podrán dar sólo una fracción del par y la potencia (por tanto, podrán ser menores). Con intención de crear una mecánica muy modular y versátil, se decide utilizar un motor para accionar cada una de las dos ruedas de un mismo bloque. Esto tiene el inconveniente de necesitar más motores, pero ventajas como que puede utilizarse una tracción mecánica escalable, según las exigencias de la competición de cada año. Por aclarar este punto, es necesario hacer constar que, en general:  la duración de los partidos y las dimensiones de la pista de juego cada año son similares.  El número de desplazamientos y su dimensión característica, aunque muy dependientes de la estrategia de juego, también son análogos.  Las dimensiones permitidas para el robot son también similares (por lo que su masa a priori no tiene porqué ser muy distinta unos años u otros).  Sin embargo, el tamaño, y sobre todo, el peso de la carga y manipuladores que tenga que portar el robot es muy variable. Por todo esto puede concluirse que la velocidad objetivo con que el robot pueda desempeñar sus movimientos no varía de unos años a otros (en general, el tiempo es limitante, y la velocidad deberá ser suficiente). Por tanto, la velocidad máxima de giro de las ruedas necesaria no variará demasiado de unos años a otros. Pero la carga que portará la plataforma sí será menos homogénea entre distintos años, por lo que para lograr aceleraciones del mismo orden unos y otros años, el par entregado a las ruedas será muy dependiente de esta carga, y esto

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puede traducirse en que a mayor carga, mayor par necesario, lo que según las curvas típicas de los motores CC que se van a utilizar, corresponde con velocidades menores. Podría utilizarse un único motor capaz de cumplir en las situaciones más exigentes, que trabaje de forma holgada y por tanto a una velocidad objetivo poco sensible a cambios de par demandado. Como alternativa, se plantea la utilización de una tracción mediante motores “menores” idénticos en paralelo, que girarán a velocidades solidarias y que entregarán un par equivalente a la suma de sus pares. En general, la asociación de motores en paralelo dará una curva par-velocidad más rígida, esto es, en el sistema equivalente la velocidad será menos sensible al par demandado por la carga.

Teniendo todo esto en consideración, se ha diseñado un sistema mecánico para la plataforma móvil que está formada por los siguientes componentes básicos:  Bastidor  Motores-encóder  Transmisiones  Ejes, ruedas y rodamientos.  Piezas de unión desmontable, separadores y auxiliares

La figura a continuación es una recreación tridimensional de la mecánica diseñada:

Izcara Autillo, Vicente

Arquitectura Física y Diseño Mecánico 45

Ilustración 16. Plataforma robótica diseñada

Estos elementos están agrupados en cuatro bloques, dos por cada lado, completamente modulares, de modo que pueden instalarse de forma fácil y rápida mediante uniones desmontables sobre una plataforma o estructura específicamente diseñada para la prueba de cada año.

3.3.1.

Bastidor

El bastidor está formado por un conjunto de piezas cuya misión es servir de soporte al resto de componentes, determinando por tanto la geometría y configuración espacial del conjunto. Se deseaba diseñar un sistema mecánico lo más versátil posible, de modo que permitiese adaptarse a las necesidades de cada año de forma sencilla y rápida. Debía ser robusto para el buen funcionamiento de las transmisiones, y a la vez permitir pequeños ajustes para optimizar el conjunto. Y todo ello con el menor peso posible, ya que esto penaliza el desempeño de la tracción. A estas consideraciones se unieron otras “de mundo real” tales como la disponibilidad del material con que se fabricase así como de los medios de fabricación requeridos, y todo ello a un precio asequible, y por ello se decidió diseñar piezas planas en aluminio de 3mm de espesor para ser cortadas por láser. Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

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El aluminio [14] es un metal plateado muy utilizado tanto en estado puro como aleado, tan sólo superado por las aleaciones ferrosas. Respecto a sus propiedades mecánicas cabe destacar que en estado puro es un metal blando y de una baja resistencia mecánica (límite elástico de 160-200 MPa), por lo que no es adecuado para aplicaciones estructurales. Sin embargo, a través de su aleación admite tratamientos que mejoran notablemente sus propiedades, hasta alcanzar valores que pueden alcanzar los 500 MPa. Y sobre todo, destaca por su baja densidad (aprox. 2700 kg/m3), lo que lo hace especialmente interesante en aplicaciones móviles en las que el peso penaliza en consumo energético. Las chapas de aluminio se obtienen en muy diversos grosores por laminación, y mediante control numérico, son cortadas con precisión por un haz láser de alta energía, consiguiendo acabados de calidad a precios asequibles.

Finalmente se diseñó para el bastidor un conjunto formado por cuatro piezas distintas que se muestran a continuación:

 Pieza P3 En el centro de la pieza, en un orificio circular, va encajado un rodamiento de bolas. Los tres orificios circulares que lo rodean sirven para alojar tornillos o separadores. El cuarto orificio sirve para alojar el tornillo que mantiene la pieza P5 paralela en un cierto ángulo. Las dos pestañas inferiores deben doblarse para quedar a 90º, dejando sobresalir la pestaña central. Con estos elementos la pieza puede amarrarse firmemente perpendicular a un soporte.

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Arquitectura Física y Diseño Mecánico 47

Ilustración 17. Pieza P3

 Pieza P4 Esta pieza se sitúa entre las piezas P3 y P5 para separarlas, alojando en su interior las tuercas correspondientes, quedando dichas tuercas estrechamente circunscritas por la circunferencia interior, de manera que no pueden aflojarse sin retirar esta pieza.

Ilustración 18. Pieza P4

 Pieza P5 La pieza P5 se sitúa pegada a la pieza P4. Permite el paso a su través del eje de la rueda, en distintas posiciones angulares, quedando fija gracias a un pasador a través del rasurado circular y de otro tornillo pasador para el que será necesario realizar un taladro en el lado simétrico del del rasurado, según la posición angular en que se desee fijar. Las ranuras superiores permiten su fijación a la pieza P6 mediante tornillos y tuercas, formando un conjunto de longitud variable.

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48 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Ilustración 19. Pieza P5

 Pieza P6 A esta pieza va atornillado el frontal de la reductora del conjunto motorreductora-encóder, en varias posiciones, de manera que como el eje de salida de dicha reductora es excéntrico, permitirá que la altura total del conjunto (regulable por deslizamiento de las piezas P5 y P6) varíe para una única distancia entre ejes.

Ilustración 20. Pieza P6

Izcara Autillo, Vicente

Arquitectura Física y Diseño Mecánico 49

Ilustración 21. Bloque motor

Ilustración 22. Vista explosionada de un bloque motor

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50 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

3.3.2.

Conjunto encóder- motorreductora

Los motores constituyen el núcleo del sistema mecánico. Realizan la transformación de energía almacenada en energía mecánica útil para dotar de movimiento al robot. Dependiendo de la forma de energía que el motor convierte en movimiento, existen motores térmicos, eléctricos, neumáticos y de otros tipos. Las bases prohíben expresamente la utilización de motores de combustión, que generan gases y humos, ya que la competición se desarrolla en un espacio interior. Se hace mención expresa a limitaciones de presión que pueden albergar depósitos de aire comprimido, así como de energía almacenada de esta manera, de modo que es una posibilidad de cara al accionamiento puntual de actuadores, si bien se descarta el uso de estos motores para tracción y serán motores eléctricos los que accionen la mecánica. Dentro de los motores eléctricos hay nuevamente numerosos tipos. Tendremos una primera clasificación según si funcionan alimentados con corriente continua o alterna. El robot pretende ser un sistema autónomo, por lo que dispondrá de un sistema de almacenamiento de energía en baterías electroquímicas. Por tanto, la tensión y corriente disponibles de forma inmediata serán continuas, y por simplicidad utilizaremos motores de corriente continua.

Motor de corriente continua Los motores de corriente continua, en lo sucesivo motores CC (ó DC en literatura inglesa) fueron los primeros motores eléctricos en utilizarse, y han sido predominantes en sistemas de tracción hasta que en tiempos recientes los sistemas electrónicos de conmutación han permitido la regulación eficaz de los motores de alterna, en general más baratos y fáciles de mantener.

Izcara Autillo, Vicente

Arquitectura Física y Diseño Mecánico 51

Ilustración 23. Esquema de un motor de corriente contínua. Fuente:[15]

Los motores de corriente continua son máquinas eléctricas con dos circuitos eléctricos (inductor e inducido) entre los que media un circuito magnético. Para las pequeñas dimensiones y potencia de esta aplicación, en vez de un circuito eléctrico inductor se utilizan imanes permanentes para crear el campo magnético de excitación. Normalmente los imanes se ubican en el estator. Es necesario conducir la corriente al inducido, en el rotor, lo que se consigue gracias a la conmutación de un sistema de escobillas y delgas, cuyo inevitable deterioro es causante de muchos de los inconvenientes de estos motores. Los motores CC de imanes permanentes presentan como principales ventajas:  Sencillez constructiva  Facilidad de regulación de velocidad (basta variar la tensión de alimentación).  Inversión del sentido de giro invirtiendo la polaridad  Funcionan como generador al aplicarles un par en el eje. Como principales inconvenientes cabe citar:  No se tiene un control inherente de la posición del eje, por lo que debe crearse un servosistema para movimientos de precisión.  La conmutación de las escobillas produce un deterioro rápido de sus prestaciones e introduce mucho ruido eléctrico en la red de alimentación.

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Otro inconveniente que en realidad es común a casi todos los motores eléctricos es que en su funcionamiento normal, el motor CC entrega la potencia a un régimen de varios miles de revoluciones por minuto y par bajo. Sin embargo para aplicaciones típicas de tracción, es necesario entregar a las ruedas un par más elevado a una velocidad varios órdenes de magnitud menor, para lo que se utiliza una caja reductora.

Elección del motor CC Se asume que el método óptimo para la selección de un conjunto motor CC – reductora, consiste en: 1.

Determinar las condiciones de funcionamiento: velocidad típica de giro y par que se debe entregar a la salida de la reductora, tensión nominal de funcionamiento y corriente consumida.

Seleccionar

relación

transmisión

adecuada

para

transformar la velocidad de salida de la reductora en una velocidad en el eje del motor cercana a la velocidad de máximo rendimiento / máxima potencia (según criterio de mínimo consumo energético o mejores prestaciones del motor). Obtenemos también el par que debe entregar el motor en esas condiciones. 3.

Seleccionar una familia de motores en el entorno de la velocidad prescrita, y un tamaño de motor que satisfaga la demanda de par/potencia.

Una vez satisfecho esto, quedaría encontrar un encóder accesorio para este motor, y los accesorios que puedan necesitarse para sujetarlo / unirlo al conjunto.

La realidad es que los catálogos estructurados y completos suelen estar formados por motores de alta calidad y coste. Como los fondos de que se dispone para desarrollar el robot no permiten ese nivel de coste, se ha seleccionado de entre las referencias asequibles, un conjunto que pueda satisfacer las necesidades. Estas referencias proceden de portales de venta de componentes para modelismo, microbótica, subastas online, o similares.

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El producto elegido ha sido el motor con reductora 29:1 37Dx52L mm con

encóder de 64 CPR comercializado por Pololu [16]. Las características indicadas por el fabricante son: -

Velocidad en eje de reductora: 350RPM a 12V y 300mA (giro libre)

En bloqueo a 12 V par de 8Kg cm y 5A.

El eje de la reductora es de 6mm de diámetro, con terminación rebajada “en D” para facilitar el montaje de ruedas mediante un casquillo con tornillos prisioneros. Se realizan varias pruebas para caracterizar el motor. Se comprueba que la reductora es en realidad 30:1 En cuanto al encóder incorporado, consiste en una rueda imantada solidaria a una prolongación del eje del motor por la parte trasera del conjunto. EL canto de dicha rueda se encuentra próximo a un encapsulado con dos conmutadores de efecto hall, de modo que cada vuelta de esta rueda supone 64 transiciones de estado. Por tanto, 1920 pulsos o transiciones por cada vuelta del eje de la reductora. El cableado del encóder tiene las siguientes funciones:

Rojo

Alimentación motor

Negro

Masa motor

Azul

Alimentación Vcc (3,5-20 V)

Verde

Masa encóder

Amarillo

Salida encóder canal A

Blanco

Salida encóder canal B

Aunque el fabricante no proporciona más información de este equipo se ha identificado el encapsulado como equivalente al integrado 3425 de Allegro, que está descontinuado y ha sido sustituido por el A1230. El esquema eléctrico recomendado para este componente es el siguiente:

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Ilustración 24. Esquema circuito encóder motor

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4. Arquitectura y Diseño Electrónico 4.1. Introducción El funcionamiento del robot consistirá en la ejecución de distintas tareas, estructuradas según el modelo de arquitectura robótica. Estas tareas llevan asociado un flujo de información que, en el caso que nos ocupa, es gestionado por sistemas de computación electrónicos. En estos sistemas la información es gestionada en forma de señales eléctricas, y la forma en que el flujo de información es conducido y procesado por los sistemas electrónicos es a lo que nos referimos como arquitectura electrónica. La arquitectura electrónica debe estructurar los sistemas electrónicos para que cumplan sus tareas de acuerdo con la arquitectura robótica, según la cual particularizamos varios niveles de abstracción para las tareas. Desde el punto de vista de los requisitos que las tareas imponen a los sistemas electrónicos que las gestionan: 1.

Las

tareas

bajo

nivel

suelen

ser

tareas

simples

(computacionalmente hablando), ligadas al manejo de las señales físicas de sensores y actuadores, con requerimientos de tiempo crítico. Son tareas específicas al dispositivo. Los sistemas basados en microcontrolador son una buena elección para satisfacer estas exigencias. 2.

Las tareas de alto nivel suelen ser computacionalmente exigentes. Son tareas generales, que no se implementan sobre los recursos físicos de la máquina, y por tanto más portables. No manejan señales físicas sino datos, y suelen implementarse como procesos concurrentes.

Los sistemas tipo PC proporcionan un buen soporte para este tipo de tareas. Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

56 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

En base a estas consideraciones, el marco de referencia para la estructura electrónica será el de un sistema tipo PC (arquitectura Von Neuman) que soportará el control de alto nivel, mientras el control de bajo nivel es realizado por subsistemas basados en microcontrolador (arquitectura Harvard) y dotados de los periféricos específicos para la tarea que desarrollan. La comunicación entre el sistema principal y

los demás subsistemas se

realizará gracias a puertos de

comunicaciones.

4.2. Sistema de control de alto nivel Para el futuro desarrollo de este proyecto robótico, se plantea el uso de un sistema de propósito general (tipo PC). Estos sistemas no están ideados para manipular directamente las señales físicas habituales de sensores y actuadores, sino que suelen ser necesarios módulos de E/S. La particularización a la aplicación de control se realiza a través de un programa o software, que corre sobre un sistema operativo y que es el que gestiona los recursos físicos de la computadora. Aquí radica la principal ventaja en el uso de estos sistemas: el diseño de la aplicación de control se limita a programar, y las aplicaciones son más fácilmente reutilizables para distintos sistemas. Existen importantes proyectos abiertos de aplicaciones para robótica como PlayerStage [17] u otros para tecnologías afines como la visión artificial: OpenCV [18] Además, el precio de un sistema tipo PC es cada vez más económico, y la potencia de computación creciente incluso en equipos de pequeñas dimensiones. Existen numerosos ejemplos de robots comandados por PC, ya sea con el PC integrado en la estructura del robot o con comunicación cableada o inalámbrica.

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Arquitectura y Diseño Electrónico 57

Ilustración 25. Robot Edubot (CARTIF)

Una alternativa muy adecuada es el uso de los llamados SBC u ordenadores embebidos, que permiten una gran versatilidad gracias a sus reducidas dimensiones y variedad de formatos:

Ilustración 26. Distintos formatos de placa de ordenador embebido

El precio de estos sistemas está bajando drásticamente, y se están desarrollando proyectos muy atractivos como

Raspberry Pi [19], un ordenador

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embebido por menos de 30$, que está suponiendo una revolución en el mundo de la microbótica:

Ilustración 27. Ordenador embebido Raspberry Pi

4.3. Sistema electrónico de control de movimiento 4.3.1. Introducción al modelo de sistema de control de movimiento. Para poder realizar con éxito las tareas que exige la competición, es necesario que el robot tenga buenas cualidades para el movimiento.

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Arquitectura y Diseño Electrónico 59

Además de una mecánica adecuada, esto consiste en que el sistema de control principal, en función de los lances del juego, pueda ordenar a un sistema de navegación que proceda para que el robot se desplace y alcance una posición y orientación determinadas, mientras un sistema de posicionamiento mantiene actualizado un registro accesible con la posición y/o orientación del robot. Existen multitud de métodos de navegación y de posicionamiento. Entre los de navegación tenemos los deliberativos, como la planificación de trayectorias. Entre los reactivos, el seguimiento de señales o rastros. Para posicionamiento, la orientación por campos o líneas de flujo, el mapeo, y otras técnicas. Esta plataforma, en su concepción versátil, debe servir de soporte para los sistemas que se incorporan y también a los que previsiblemente puedan llegar a incorporarse:

4.3.1.1.

Navegación

La misión genérica de un sistema de navegación es dar al sistema de control de tracción las órdenes de movimiento que corresponda. Una posible forma de dar soporte a esta función es proveer comandos de movimiento en términos de velocidad de desplazamiento tangencial y de rotación del centro de masas del robot como sólido rígido. A partir de los movimientos simples que pueden ordenarse a través de estos comandos, se pueden obtener trayectorias complejas. Los comandos en velocidad tangencial y de rotación del centro de masas deben ser traducidos a órdenes sobre las variables de control del sistema de tracción, que son las velocidades de giro de las ruedas i y d . El sistema de control de tracción se ocupa de que la salida real, velocidad de giro de las ruedas, siga la referencia que se ha ordenado. Para ello, se plantea un lazo de control realimentado para cada uno de los dos bloques de motores (izquierdo y derecho):

Los bloques funcionales del lazo de control de velocidad son: 1.

Comparador: Su misión es obtener la señal instantánea de error existente entre la referencia y la salida del sistema.

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Controlador del motor: procesa la señal de error presente y pasada para elaborar una orden sobre el actuador (motor).

Amplificador: La señal de control procedente del controlador no tiene la potencia necesaria para alimentar directamente los actuadores, por lo que es necesario una etapa intermedia.

Actuador: Es el encargado de producir las señales físicas sobre la planta para cambiar su estado.

Planta: Es el sistema físico que desea controlarse. Reacciona ante las acciones presentes y pasadas de los actuadores para dar lugar a una señal de salida.

Sensor: Mide la señal de salida de la planta u otras relacionadas a partir de las que pueda estimarse.

En el caso que nos ocupa, estos bloques conceptuales se particularizan físicamente del siguiente modo: 1. Las funciones de comparador, controlador del motor y procesamiento de la señal del sensor para estimar la velocidad son llevadas a cabo por un microcontrolador. 2. Como actuadores se tiene los motores de corriente continua de imanes permanentes (PMDCM en terminología inglesa). 3. La planta está formada por todos los elementos mecánicamente acoplados a la rueda cuya velocidad angular se desea controlar. El modelo dinámico equivalente depende de aspectos geométricos, de las cargas inerciales y angulares y también del punto de funcionamiento del sistema, por lo que resultaría muy

complejo encontrar su expresión

analítica. Para los objetivos de este proyecto, será suficiente tener en consideración el modelo dinámico del motor de corriente continua, respecto del cual, todo lo que está mecánicamente acoplado al eje puede reducirse en cada instante a una carga dinámica. 4. El sensor utilizado será el encóder de cuadratura. No mide velocidades, sino que permite determinar desplazamientos angulares y sentido de giro, todo ello en dominio discreto. La velocidad media en un período de tiempo puede estimarse como el cociente entre el desplazamiento

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Arquitectura y Diseño Electrónico 61

angular y el tiempo transcurrido, y tendrá valor discreto en períodos discretos.

4.3.1.2.

Posicionamiento

Pero el sistema de control superior planifica los movimientos sobre la referencia fija al terreno de juego, y puede necesitar conocer la posición y orientación en que se encuentra el móvil sobre el terreno de juego, por ejemplo, para valorar las posibles estrategias a seguir, y calcular trayectorias. Para poder traducir las órdenes nativas (en coordenadas globales) a coordenadas locales al robot, es imprescindible que conozca su orientación. Partiendo de una posición absoluta conocida, el sistema de control del robot puede estimar la posición y orientación en que se encuentra en cada momento, si dispone de un modelo geométrico del robot. Pero además, con la medida del ángulo girado por cada rueda en períodos infinitesimales, se puede implementar un sistema odométrico de posicionamiento: Este sistema puede proveer de realimentación en posición. Por su propia naturaleza, estos métodos de posicionamiento incrementales van acumulando error en cada iteración, de modo que si no se actualiza la posición y orientación absolutas del robot, de forma fiel, por ejemplo, mediante un sistema de balizas, el error acumulado desvirtuará los cálculos al cabo de algunas iteraciones. Por eso, un sistema de posicionamiento absoluto es muy conveniente, habida cuenta de que en las bases de la competición se habilitan medios para posibilitar su uso, y previsiblemente se incorporará en un futuro a los sistemas desarrollados en este proyecto. El sistema de posicionamiento se implementa sobre el microcontrolador, que es quien maneja directamente las señales de los encóder solidarios a las ruedas. Las variables de estado que reflejan la posición del robot son sus coordenadas absolutas sobre el terreno de juego y su orientación: Xg, Yg, φ.

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La relación entre las variables globales, en el sistema de referencia natural del espacio de juego, y las locales, en el sistema de coordenadas solidario al robot, es geométrica.

El modelo del sistema debe establecer la relación existente entre unas y otras:

El sistema de control superior será el encargado de determinar qué movimientos debe hacer el robot, descomponerlos en otros más simples y dar las órdenes al sistema de tracción para que se efectúen los movimientos infinitesimales necesarios en cada instante. El movimiento instantáneo del robot se describe en términos de variables cinemáticas: desplazamientos, velocidades y aceleraciones del robot, y estas variables se relacionan a través de la geometría con las variables cinemáticas directamente vinculadas a los motores (giro, velocidad angular y aceleración angular de cada motor), en las ecuaciones cinemáticas. Por otro lado, las ecuaciones dinámicas permiten relacionar las variables cinemáticas con la causa que las origina (fuerzas y pares), y que son variables físicas dependientes de los actuadores (en este caso, motores de corriente continua). Por tanto, el sistema electrónico de tracción debe gestionar estas variables y demandar a los motores las acciones necesarias para satisfacer órdenes que recibe del sistema de control suprior en términos de variables de movimiento. El alcance de las órdenes que sea capaz de seguir, así como la bondad con que lo haga, determinarán los movimientos que se puedan conseguir.

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Arquitectura y Diseño Electrónico 63

Ilustración 28. Diagrama de bloques del posicionamiento por odometría

4.3.2.

Placa electrónica de control de tracción

Como principal componente del sistema electrónico de control de tracción se diseña y construye una placa que sirva de soporte para los siguientes elementos: -

Fuente de alimentación a 5V.

Fuente de alimentación a 3,3V.

Microcontrolador. Acondicionamiento de señales de entrada/salida y circuitería específica recomendada por el fabricante.

Puerto de comunicación con adaptación al nivel de 3,3V del puerto UART del micro.

4.3.2.1.

Diseño

Todo el proceso de diseño se ha realizado utilizando el software Proteus, que proporciona dos aplicaciones específicas para confeccionar el esquema (Proteus ISIS) y la disposición a nivel físico (Proteus ARES). En la primera etapa se diseña el esquema funcional con los componentes electrónicos y sus conexiones. Para ello se pueden agrupar por sistemas, sin que la

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64 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

disposición en el esquema corresponda con la disposición física final que tendrán en la placa. El entorno ISIS proporciona librerías con los componentes más frecuentes, que permiten su particularización en cada caso mediante parámetros.

Además,

proporciona un entorno de simulación muy potente para circuitos analógicos y digitales. En este último caso, se pueden correr los programas precompilados para el microcontrolador y comprobar el funcionamiento completo de un circuito basado en microprocesador, simulando entradas, salidas y señales. Algunos componentes utilizados en la placa diseñada no estaban presentes en las librerías, por lo que fue necesario crearlos.

Ilustración 29. Entorno de desarrollo Proteus ISIS

Una vez obtenido el esquema funcional para los circuitos y componentes de la placa (ver Anexo: esquemas y planos), será necesario obtener su diseño físico. Para ello, se transfieren al entorno ARES los componentes del esquema funcional, así como la netlist o tabla de nodos del esquema, siendo cada nodo un conjunto de terminales que están eléctricamente en contacto. En ARES se asigna a cada elemento del esquema un encapsulado caracterizando su forma y dimensiones.

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A continuación deben ubicarse en el espacio de la placa: aunque esta operación puede hacerse en modo automático, resulta más conveniente en este caso colocar y orientar los componentes manualmente. Una vez obtenida una primera disposición espacial, se procede al rutado, consistente en disponer las pistas de cobre que unirán entre sí los terminales de los componentes según la tabla de nodos. Se plantea un rutado a doble cara, ya que el número de conexiones es importante. En este proceso debe tenerse en cuenta la forma en que se va a fabricar la placa, para determinar anchura de pistas razonables, separaciones y holguras acordes con las posibilidades reales de la técnica de fabricación. Como se plantea una fabricación con medios poco tecnológicos, se descarta utilizar anchuras y holguras demasiado finas, que en la práctica puedan resultar inalcanzables. El proceso de rutado sí conviene hacerlo en modo automático, ya que existen gran cantidad de combinaciones posibles, que el ordenador puede computar en muy poco tiempo para dar una solución aceptable. Esta solución propuesta debe ser revisada y modificada, en un proceso iterativo que puede llevar a recolocar algunos componentes, volver a ejecutar el rutado y realizar cambios concretos, hasta que se llegue a una solución aceptable. En este caso, tras algunas iteraciones se consiguió obtener una placa a doble cara de 10x10cm muy compacta. La aplicación ARES provee un visualizador 3D para las placas diseñadas, que resulta muy útil para conocer el aspecto y la forma que tendrá el conjunto antes de ser fabricado, especialmente si se hace por medios manuales.

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Ilustración 30. Placa electrónica de control de tracción

4.3.2.2.

Construcción de la placa

Para la fabricación de la placa electrónica diseñada es necesario en primer lugar obtener la PCB (placa de circuito impreso), sobre la que se soldarán los componentes electrónicos. Esta placa está compuesta por un material de soporte, generalmente de baquelita o fibra de vidrio, de 1,5mm de espesor, en cuyas caras se dispone una lámina de cobre de 35 micras de espesor, de la que se elimina material hasta formar las pistas conductoras. El procedimiento utilizado ha sido el revelado-ataque químico, que es un procedimiento adecuado para elaboración de prototipos y tiradas cortas con medios muy limitados.

Se parte de una placa fotosensible positiva a doble cara que,

además del soporte y la lámina de cobre en las dos caras, tiene sobre éstas una película de emulsión fotosensible. El procedimiento que se siguió para obtener la placa es el siguiente: 1. Elaboración de fotolitos. La película fotosensible forma una capa que protege el cobre, y que por tanto debe ser eliminada para atacarlo químicamente. Como en un proceso de revelado fotográfico, la emulsión fotosensible reacciona frente a la luz ultravioleta, formando un compuesto soluble fácil de retirar, y dejando al cobre expuesto para ser atacado.

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Arquitectura y Diseño Electrónico 67

Para proteger la emulsión allí donde no debe ser revelada, se utiliza un fotolito, que es una impresión sobre lámina transparente, de las pistas que deben quedar en cobre. La tinta debe quedar en contacto con la emulsión (para evitar la proyección de sombras), por lo que se imprime una imagen especular. Debe ponerse atención en que las dimensiones del fotolito, una vez impreso, sean las correctas. Como se va a revelar a doble cara, es necesario que ambos fotolitos mantengan una posición relativa correcta durante todo el proceso. Para lograrlo, se fijan a un bastidor externo del mismo grosor que la placa virgen y que permita introducirla entre las dos láminas transparentes. 2. Exposición a la luz. La placa protegida por los fotolitos es expuesta a la luz, protegida por los fotolitos, durante un tiempo adecuado, que varía según la placa utilizada. 3. Revelado. Una vez insolada, la placa se introduce en una solución de sosa hasta que se desprende la emulsión de las zonas expuestas a la luz. 4. Ataque químico. La placa es atacada por una solución corrosiva de ácido clorhídrico y peróxido de hidrógeno en agua. Allí donde el cobre no tiene capa protectora, es retirado en el proceso, quedando solamente las pistas y elementos deseados.

Ilustración 31. PCB para placa de control de tracción

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Una vez obtenida la PCB para la placa electrónica, habrá que montar los componentes sobre ella. Se han utilizado componentes en distintos encapsulados correspondientes a dos tecnologías de montaje: -

THT (tecnología “a través de agujero”). Los componentes tienen patillas que se introducen por agujeros en la placa y son soldadas a las pistas, en la cara opuesta a donde se encuentra el componente. Es una tecnología clásica, asociada a encapsulados más grandes, más sencillo de montar a mano pero más caro por el importante inconveniente de tener que hacer los agujeros.

SMT (tecnología de montaje superficial). Los componentes se sueldan directamente sobre una prolongación de las pistas, en la misma cara en que se encuentra el componente. Es una tecnología más reciente, que industrialmente ha desbancado a la THT por permitir

la miniaturización

resultar

más

barata. Tiene

inconveniente de que las operaciones manuales con encapsulados correspondientes a esta tecnología son difíciles y requieren de destreza y herramientas específicas. En el diseño de esta placa se han utilizado componentes de ambos tipos: -

Se ha utilizado SMT para componentes relativamente simples de manipular y poco susceptibles de tener que reemplazarse en la placa, tales como las resistencias, condensadores, transistores, diodos, LEDs y reguladores de tensión.

Se ha utilizado THT para componentes sensibles o susceptibles de estropearse

(microcontrolador)

así

como

los

terminales,

conectores

y otros componentes que requieren una unión más

fuerte o soportan esfuerzos mecánicos. Antes de proceder al taladrado es conveniente eliminar una laca coloreada que protege el cobre, y aplicar un estañado que la reemplace y facilite el posterior soldado de los componentes.

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Arquitectura y Diseño Electrónico 69

Ilustración 32. Decapado de la PCB

A continuación los componentes se van colocando y soldando. Se comienza por los de perfil más bajo (montaje superficial). Han sido elegidos en encapsulados que permitan su soldadura a mano (1206 y 0805) utilizando pinzas, soldador con punta fina y estaño de calidad (con plata). A continuación se procede con los componentes más grandes y de perfil más alto, procurando terminar con los conectores, terminales y otros componentes más robustos. Será necesario realizar puentes entre las dos caras (uniones para que una pista continúe su trazado en otra cara) y prestar atención en los componentes THT allí donde según el rutado confeccionado, un agujero deba dar continuidad a una pista por dos caras. No se han utilizado remaches que garanticen esta continuidad por no disponer de medios, y en su lugar, se ha procurado soldar la patilla del componente por las dos caras. Es imprescindible realizar una validación sistemática de la placa, comprobando continuidad en todas las pistas y uniones, así como la ausencia de defectos tales como cortocircuitos entre pistas y cortes.

4.3.2.3.

Uso y configuración hardware de la placa

Una vez montada la placa, es necesario realizar un ajuste preliminar de algunos componentes, tales como resistencias variables, así como la colocación de Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

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jumpers (fundas que cortocircuitan los terminales en los que se insertan), permitiendo variar la configuración física de los circuitos. En la placa construida pueden encontrarse los siguientes bloques de elementos:

Ilustración 33. Descripción de la placa de control de tracción.

Terminales de alimentación – bypass Se ha dispuesto dos pares de bornas ajustables con tornillo para recibir la alimentación de la placa, y simplificar la conexión en cascada con otras placas. La tensión máxima de alimentación es de 15 V, correspondiente a la máxima tensión de los reguladores.

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Arquitectura y Diseño Electrónico 71

Adaptación de señal de los encóders La placa ofrece terminales para la conexión de dos encóder de cuadratura. Estos terminales proporcionan alimentación a 5V y permiten ajustar los pulsos de señal al nivel de tensión admitido por el microcontrolador mediante unos potenciómetros que actúan como divisor de tensión. Estos potenciómetros de 5K Ohm deben ser ajustados con los encóder conectados.

Conexión con etapa de potencia La placa proporciona dos canales independientes para el mando de motores de corriente contínua. Para cada uno de los canales, se proveen señales de activación del canal, gobierno del sentido de giro (A, B), el tiempo activo PWM (duty cycle), así como entrada para el monitoreo de la corriente. El nivel de tensión del microcontrolador es de 3,3V, pero se utilizan como salidas algunas patillas capaces de funcionar como salida en colector abierto, de modo que con resistencias de pull-up se consiguen un nivel lógico de 5V según se demanda en la mayoría de etapas de potencia comerciales. Esta configuración no es adecuada si la impedancia de entrada en la etapa de potencia no es elevada.

Divisor de tensión Se dispone en la placa de un divisor de tensión fácilmente conectable a una de las entradas analógicas del micro para funciones como monitoreo de la tensión de las baterías del sistema.

Entrada / salida universal El microcontrolador que gobierna la placa funciona alimentado a

3,3V. A

pesar de que cada vez hay más dispositivos compatibles, contrasta con el más frecuente nivel lógico a 5V. Algunas de sus patillas están preparadas para poder proporcionar como salidas este nivel. Para manejar entradas a nivel de 5V será necesario realizar una adaptación de niveles.

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Se ha elegido RB5, una de las patillas tolerantes a salidas 5V como entrada/salida libre, y se proporciona un circuito configurable que permite la adaptación para distintos niveles tanto como entrada como salida.

Ilustración 34. Entrada/salida universal

Las configuraciones posibles de la entrada/salida universal son como sigue:

Ilustración 35. Configuraciones posibles de la entrada/salida universal

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Leds testigo de entrada / salida del puerto Para facilitar el desarrollo de aplicaciones con la placa se dispone de leds testigo que permiten conocer visualmente el estado en que se encuentran las patillas disponibles del micro. La corriente que pueden entregar las salidas del micro es muy limitada, por lo que los leds son alimentados desde transistores de amplificación. Conexión ICSP La placa incorpora circuitería para la programación serie del microcontrolador mediante el protocolo propietario de microchip ICSP (In circuit serial programming). A través de 5 terminales conectados en la placa a las correspondientes patillas del micro se tiene un modo de programación que facilita notablemente la labor de desarrollo, ya que no será necesario extraer el micro de su zócalo para programarlo. Además, gracias al dispositivo hardware PicKit 3 se puede realizar depuración en circuito: ejecutar el programa paso a paso, comprobando la respuesta en la aplicación, en tiempo real, con las señales reales, y detectar puntos conflictivos.

Ilustración 36. Conector ICSP y jumpers para configuración de la placa

Se han dispuesto unos jumpers para seleccionar el terminal que enlaza con las patillas en el micro, dependiendo de si se utiliza la funcionalidad ICSP o se desea disponer de la patilla para otras aplicaciones.

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74 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Para más información sobre el uso de ICSP puede consultarse el documento PicKit3 User Guide de Microchip. Adaptador UART a USB/radio El microcontrolador dispone de dos puertos UART para la comunicación serie con el exterior. Este es el puerto elegido para la comunicación del sistema de control de tracción con el sistema de control superior, que podrá estar implementado sobre un PC, SBC u otro circuito electrónico. A nivel físico este puerto requiere al menos de tres canales para una comunicación bidireccional: RX, TX y GND. Adicionalmente pueden utilizarse las señales hardware de control de flujo RTS y CTS. Los niveles para estas señales en el microcontrolador deben ser compatibles con

3,3V por lo que no es posible su conexión directa con la mayoría de

dispositivos electrónicos, que utilizan nivel de 5V. En particular, no se puede conectar al terminal USB que es actualmente el más utilizado en los PC. Para salvar este obstáculo, en las labores de desarrollo se utiliza un adaptador entre la UART del micro y el puerto USB del PC. En la etapa de diseño de la placa se consideró el adaptador CP2102 USB a serie, de POLOLU. Para su conexión a la placa se dispone de un zócalo.

Ilustración 37. Adaptador USB / serie CP2102, zócalo y jumpers para configuración de la placa

Con este adaptador es necesario utilizar una conexión cableada al PC, que resulta incómoda para la fase de pruebas de movimiento de la plataforma robótica. Así que se buscó una alternativa que eliminase la conexión cableada.

Izcara Autillo, Vicente

Arquitectura y Diseño Electrónico 75

La solución elegida fue el módulo Wixel de Pololu

Ilustración 38. Módulo inalámbrico wixel

El Wixel es un módulo programable de propósito general que dispone de conexión USB y radio a 2,4 GHz. El núcleo del módulo es el microcontrolador de Texas Instruments TI CC2511F32, con 29KB de flash y 4KB de RAM. Puede utilizarse para distintas aplicaciones, de las que se destacan 3 por su interés para este proyecto. 1.

Como

adaptador

USB-serie

(cableado):

permite

reemplazar el adaptador CP2102 para el que inicialmente fue diseñada la placa. 2.

Como adaptador USB-radio 2,4GHz: conectado al puerto USB

del

PC,

crea

nodo

inalámbrico

emisión/recepción para la comunicación con otros módulos wixel. 3.

Como adaptador serie-radio 2,4GHz

permite recibir las

señales de radio enviadas desde el PC a través de su nodo inalámbrico wixel , tales como comandos u órdenes, y responder con parámetros de funcionamiento de la Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

76 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

aplicación en que se instala, en este caso, el sistema de control de tracción del robot.

Fuente de tensión 5V y 3,3 V La placa incorpora dos reguladores de tensión LDO (low drop-out) de alta eficiencia: REG104FA-3,3 y REG104FA-5 de Texas Instruments. Estos integrados tienen

una

excelente

respuesta

transitoria

permiten

habilitación

deshabilitación de su salida mediante una patilla, que se ha aprovechado en el circuito de la placa.

Ilustración 39. Reguladores de tensión: esquema y posición de jumpers para su habilitación.

4.3.3.

Placa electrónica de potencia

Las señales de gobierno sobre los motores generadas desde la placa de control de tracción deben ser amplificadas en potencia para poder alimentar los bloques de motores a ambos lados del robot. Para la selección de la etapa de potencia deben tenerse en cuenta las necesidades de los motores: -

Tensión nominal de alimentación: 12 V

Corriente nominal: 500 mA a 12 V.

Corriente de cortocircuito: 5A en bloqueo.

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La corriente de cortocircuito no es la más desfavorable que se prevee, puesto que para lograr un frenado muy rápido de los motores puede tener que recurrirse a la inversión de polaridad. Es una acción muy desaconsejable desde el punto de vista de

la vida útil del motor, por lo que como precaución se estima en una

corriente un 20% sobre la de bloqueo: 6 amperios. Cada lado de la plataforma cuenta con dos motores en paralelo, por lo que las necesidades sobre la placa quedan: -

Tensión nominal: 12V.

Corriente nominal: 1A por canal.

Corriente de pico: 12 A por canal.

Para satisfacer estas necesidades se ha elegido la Dual VNH2SP30 de Pololu. Se trata de una placa portadora para el integrado VNH2SP30 [20] de ST microelectronics,

que incorpora los principales elementos que el fabricante

recomienda la página 8 de su hoja de características, incluyendo resistencias de limitación de corriente y de pull-up, así como un transistor FET para la protección de la batería. Puede revisarse el esquema al final de este documento, en la sección de planos y esquemas.

Ilustración 40. Placa de potencia Dual VNH2SP30 de Pololu

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El circuito integrado VNH2SP30 es un driver para motores con configuración de puente H, orientado al sector de la automoción. Algunas de sus principales características son las siguientes: Nivel de tensión de señales lógicas

Tensión suministrada Vcc Máxima corriente de pico Resistencia en el MOSFET Frecuencia PWM máxima Monitor de corriente Nivel de corte por sobretensión Tiempo de sobrecalentamiento a 20A (*) Tiempo de sobrecalentamiento a 15A (*) Corriente operación ininterrumpida (*)

5,5-16 V 30 A 19 mOhmn 20 KHz 0,13 V/A 16V min (19 típico) 35 s 150 s 14 A

Tabla 1. Prestaciones del VNH2SP30

La estructura de puente en H completo con transistores MOSFET permite controlar tanto la velocidad como el sentido de giro de los motores de corriente continua. Activando selectivamente los transistores, se crean dos circuitos para la corriente, que recorre el motor en uno u otro sentido y consecuentemente variando su sentido de giro. Además, variando el tiempo efectivo de conexión del motor a la alimentación, se modifica la tensión promedio y con ella la velocidad de giro, en la técnica conocida como PWM. A partir del esquema de conexión recomendado por el fabricante,

implementado en la placa de potencia, se pueden ordenar distintos estados para el motor.

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Ilustración 41. Circuito de aplicación típica para VNH2SP30. Datasheet pag. 8

TABLA DE VERDAD EN FUNCIONAMIENTO NORMAL IN A IN B 1 1 1 0 0 1 0 0 Leyenda: H: Nivel alto de tensión L: Nivel bajo de tensión

4.3.4.

OUT A H H L L

OUT B H L H L

CS Alta impedancia Is= Iout/K Is=Iout/K Alta impedancia

Modo operación Frenado a Vcc Giro horario Giro antihorario Frenado a GND

Is: intensidad de monitoreo de corriente IN: Entrada CS: monitoreo de corriente OUT: salida

Placa de accionamientos

El sistema eléctrico del robot está formado por dos circuitos eléctricos cuya alimentación es independiente. Por un lado, un circuito alimenta desde una batería de 7,2V cargas eléctricas y electrónicas de baja potencia. Por otro, lado los sistemas electromecánicos (motores principalmente) son alimentados a 12V por un circuito diseñado para más potencia. Por razones operativas es necesario poder interrumpir la alimentación general del robot, y muy conveniente poder hacerlo de forma independiente para los dos circuitos.

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Para satisfacer esta necesidad se ha diseñado una placa electrónica de accionamientos con las siguientes características: -

Se utilizan relés para el accionamiento e interruptores manuales para el mando. Esto permite trasladar fácilmente mediante cableado de señal los interruptores a una ubicación en la periferia del robot donde sea cómoda su manipulación, dejando la placa electrónica en el interior de la máquina.

Se integran leds testigo para monitorear desde el exterior el estado de marcha o paro de los sistemas.

El sistema así diseñado permitiría a la electrónica de control tomar el mando del circuito de potencia, e interrumpir la alimentación de los motores por ejemplo ante estado de baja carga de las baterías u otras condiciones de falta.

Se integran en esta placa las conexiones a los terminales de las baterías Li-po para su carga, ya que se encontrarán ubicadas en el interior del robot y resultaría engorrosa su extracción para cargarlas.

El diseño del esquema de la placa se ha realizado utilizando Proteus-ISIS. Puede encontrarse al final de este documento, en la sección de planos y esquemas. Se ha utilizado el motor de simulación para comprobar la bondad del diseño y estimar las corrientes que circulan por las distintas ramas.

Para el trazado de las pistas y el diseño de la PCB se ha utilizado el entorno Proteus-ARES, seleccionando los encapsulados para cada componente, y dimensionando la anchura de pista de acuerdo con la corriente eléctrica que debe transportar.

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Ilustración 42. Placa de accionamientos en el entorno software Proteus-ARES

Para la construcción se han seguido pasos análogos a los que se describieron en la placa de control de tracción. También en este caso se ha utilizado placa FR4 a doble cara, pero todos los componentes son de montaje en agujero (tecnología THT).

Ilustración 43. Placa de accionamientos, mandos y terminales de carga

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Alimentación. Baterías Li-Po

4.3.5.

La normativa de la competición EUROBOT exige la instalación de un interruptor general que en caso de accionamiento, interrumpa la alimentación de todos los sistemas en el robot. Para ello se ha instalado uno con poder de corte suficiente de doble acción (DPST), que actúa sobre los dos circuitos (electrónica y potencia). De entre los distintos tipos de baterías recargables que podrían utilizarse para la alimentación del robot, se ha optado por utilizar las de polímero de litio, conocidas como Li-po. Las baterías Li-po son una tecnología reciente que se caracteriza por tener una densidad energética (Energía acumulada / Masa de la batería) así como una tasa de descarga (Corriente que pueden aportar por unidad de energía acumulada) muy superiores al de otras tecnologías tradicionales (Plomo, Ni-MH, Ni-Cd) por lo que su uso se ha extendido rápidamente en aplicaciones móviles. La celda elemental de Li-po tiene una tensión nominal de 3,7 V por lo que para conseguir tensiones mayores se asocian varias celdas en serie.

Características de una batería Li-po -

Tensión nominal: (será un múltiplo de 3,7 V), que suele representarse seguido de la letra S (serie).

Capacidad nominal: es la energía almacenada. Se expresa como producto de una corriente que agotaría la capacidad en el plazo de una hora (A*Hora). Para conseguir baterías de capacidad elevada se recurre a la asociación en paralelo de un número de celdas, que se representa seguido de la letra P (paralelo).

Tasa de descarga: Corriente máxima que la batería puede suministrar sin dañarse. Se expresa como un múltiplo de la capacidad, (10C, 25C). Está directamente relacionado con la calidad de la batería: una mayor capacidad de descarga está asociada a menor resistencia interna en la batería, que por efecto joule produce calentamiento y deterioro de las celdas si se superan los 60ºC.

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Normas de uso, transporte y manipulación de las baterías Li-po El principal inconveniente de estas baterías es que presentan riesgo de explosión en caso de que el compuesto de litio entre en contacto con el aire. Además de por causas externas, esto puede ocurrir por un uso inapropiado: el polímero puede liberar gases que hinchan la cubierta y pueden reventarla, con las consecuencias antes descritas. Para evitar que esto ocurra deben seguirse estrictas normas de uso, transporte y manipulación: -

El rango de descarga de las baterías va desde los 4,2 V hasta los 3V. En caso de almacenamiento prolongado, es recomendable que se haga a la tensión nominal de 3,7 V.

No debe superarse la tasa de descarga máxima, ni cargarse a una tasa superior a 1C.

La asociación serie y paralelo es delicada. No deben asociarse baterías de distinta capacidad. La carga debe hacerse de forma balanceada, es decir: el resultado debe ser que todas las celdas terminen el proceso a la misma tensión. Para ello, las baterías Li-po presentan dos conjuntos de cables: uno de dos cables “gruesos” que da acceso a los terminales de la asociación en serie de las celdas; el otro da acceso a los terminales de cada una de las celdas, haciendo posible su monitoreo y carga selectiva.

Las baterías nunca deben superar los 60º C, por lo que deben instalarse lejos de fuentes de calor o prestarse atención si se confinan en espacios de difícil refrigeración.

Para su transporte deben utilizarse bolsas reforzadas de protección.

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Ilustración 44. Batería Li-po de potencia con circuito monitor de tensión

Aplicación de las baterías Li-po en el robot Para este proyecto se utilizan dos baterías Li-po: 1. Batería para electrónica y señal 2S 1P 1250mAH 15C 2. Batería para circuito de potencia: 3S 1P 4000mAH 15C Para proteger los circuitos así como las propias baterías en caso de cortocircuitos o sobrecorrientes peligrosas se incorporan fusibles: 1. Para el circuito de alimentación de electrónica, el nivel de riesgo para la electrónica está lejos del nivel de riesgo para la batería. Se utiliza un fusible de 3 amperios. 2. Para el circuito de potencia, ante una situación de falta en los motores podría ponerse en riesgo la batería, por lo que se utiliza un fusible a 25 amperios.

4.3.6.

Conexiones y cableado.

La conexión entre los distintos elementos se realiza mediante cables multifilares de cobre o aluminio y dimensionados según la corriente que deban transportar. Las longitudes son pequeñas y no se consideran caídas de tensión.

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Para los conductores de potencia, se utilizan principalmente cables de cobre de 1mm2 de sección, excepto en las conexiones de las baterías, donde las secciones alcanzan los 2 mm2 . Los terminales de los cables van pre-estañados y atornillados a bornas, salvo en los cables de portafusibles, donde se crimpan fast-on bandera de 6,3 mm. Los cables de señal entre placas electrónicas son de secciones reducidas, van identificados por colores, y terminan en terminales soldados. La Tabla 2 recoge los cables utilizados con sus principales características.

Tabla 2. Cables eléctricos Longitud Seccion Sección Cable Inicio Fin (cm) AWG mm2 1 Bat7Interrupt1A 10 17 1 2 Interrupt1B PC_bat_718 17 1 3 Bat7+ PC_bat_7+ 5 1,5 4 Bat12Interrupt2A 10 14 2 5 Interrupt2B PC_bat_1211 17 1 6 Bat 12+ PC_bat_12+ 12 14 2 7 Cargador 12- PC_carga_125 0,5 8 Cargador 12+ PC_carga_12+ 5 0,5 9 Cargador 7PC_carga_75 0,5 10 Cargador 7+ PC_carga_7+ 5 0,5 11 PC_salida_12+ PP_Vin+ 20 14 2 12 PC_salida_12- PP_Vin20 14 2 13 Out_1A_PP 1A_regleta 5 1 14 Out_1B_PP 1B_regleta 5 1 15 Out_2A_PP 2A_regleta 5 1 16 Out_2B_PP 2B_regleta 5 1 17 1A_regleta 1A_bis 5 1 18 1B_regleta 1B_bis 5 1 19 2A_regleta 2A_bis 5 1 20 2B_regleta 2B_bis 5 1 21 PC_salida_7+ PCT_Vcc 10 0,5 22 PC_salida_7- PCT_Vss 10 0,5 23 1A_regleta Motor 1 15 1 24 1B_regleta Motor 1 + 15 1 25 1A_regleta Motor 2 15 1 26 1B_regleta Motor 2 + 15 1 27 2A_regleta Motor 3 + 30 1 28 2B_regleta Motor 3 30 1 29 2A_regleta Motor 4 + 40 1 30 2B_regleta Motor 4 40 1 31 PC_motores PP_señal 35 28

Color

Nota

marrón marrón rojo marrón marrón rojo negro rojo negro rojo azul marrón azul marrón azul marrón azul marrón azul marrón rojo negro azul marrón azul marrón marrón azul marrón azul gris

Fusible 3A

Extremo 1

Libre Libre Integrado bat Libre Fusible 25A Libre Libre Libre Alta flexib. Libre Alta flexib. Libre Alta flexib. Libre Alta flexib. Libre LIbre Libre Libre Libre Libre Libre Libre Libre Libre Libre Alta flexib. Libre Alta flexib. Libre Libre Libre Libre Libre Libre Libre Libre Libre Cable bus 15v Hembra esp

Extremo 2 Faston 6,3 bandera Faston 6,3 bandera Inserto bat Faston 6,3 bandera Faston 6,3 bandera Inserto bat libre libre libre libre libre libre libre libre libre libre libre libre libre libre Libre libre libre libre libre libre libre libre libre libre Hembra esp.

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5. Diseño Software. El núcleo del sistema electrónico de control de tracción es un microcontrolador. Este dispositivo reúne en un circuito integrado un microprocesador, memorias y periféricos cuya adaptación a la tarea específica que deben realizar ya no se realiza mediante conexiones hechas por el usuario, sino que se realizan a través del código de un programa. Para esto es necesario conocer el dispositivo a nivel físico, pero también el lenguaje de programación para configurarlo y asignarle tareas, así como otras herramientas para convertir el programa en un código que sea comprensible para la máquina. Estos programas realizados desde un entorno de desarrollo en el PC son cargados en el microcontrolador y depurados en el circuito mediante herramientas hardware de desarrollo. En este capítulo se describen estos procesos y se documentan las labores realizadas para elegir un microcontrolador, configurarlo y crear un entorno listo para prestar servicio a las aplicaciones que se van a realizar.

5.1. Elección del microcontrolador 5.1.1.

Microcontroladores Microchip PIC

Existen numerosos fabricantes de microcontroladores válidos para la aplicación que se está llevando a cabo. Sin embargo, la búsqueda del dispositivo adecuado se centra en uno: Microchip Technology Inc [21]. La principal razón es la familiaridad del autor del trabajo con los dispositivos de este fabricante. Las principales ventajas de recurrir a Microchip para este proyecto son: -

Se proporciona abundante información, documentación y ejemplos para descargar en su página web.

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Es un fabricante conocido y utilizado por una amplia comunidad de desarrolladores, lo que facilita el intercambio de información y recursos.

Microchip envía gratuitamente muestras de la mayoría de sus productos, en cantidad suficiente para diseñar y construir prototipos. Se tiene así acceso a todo su catálogo, que es muy extenso, y se puede optar por el dispositivo más adecuado sin que la disponibilidad sea un problema, cosa que sí ocurriría si hubiera que adquirirlo en comercios de electrónica.

En caso de tener que adquirirse, el coste del microcontrolador no es representativo en el coste total del proyecto, mientras que en el tiempo de desarrollo sí afectan decisivamente las demás circunstancias expuestas. La elección del microcontrolador se realiza en dos pasos: 1. Elección de la familia. 2. Elección del microcontrolador.

5.1.2.

Elección de la familia. La familia PIC33F

Los microcontroladores de Microchip se agrupan en familias según el número de bits de su arquitectura de datos: 8, 16 ó 32. Desde la web del fabricante se proporciona un motor de selección de dispositivos según la aplicación. En este caso corresponde a control de motores, para lo que se recomiendan familias de 8 y 16 bits. Dentro de la segunda se encuentran la familia PIC24 y los DSC (controladores digitales de señal), integrada por las familias PIC30 y PIC33. Los DSC son dispositivos que añaden a la tradicional arquitectura de un microcontrolador, recursos propios de DSP´s (procesadores digitales de señal), lo que los convierte en una opción muy atractiva para aplicaciones de control.

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Ilustración 45. Diagrama de la familia dsPIC. Fuente: web de Microchip (www.microchip.com)

Las principales características de esta familia son: -

Núcleo DSC

Hasta 40/70 MIPS (millones de instrucciones por segundo), a 3,3V.

Desde 12 hasta 536KB de memoria Flash, hasta 30KB de RAM.

Base de tiempos dedicada para hasta 8 salidas PWM de control de motores.

Hasta 2 módulos QEI para la gestión de encóder de cuadratura.

Hasta 2 comparadores con 20 nanosegundos de tiempo de respuesta. Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

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Amplificadores operacionales integrados.

Hasta 16 canales de conversor A/D de 10 bits de resolución a 1,1 MSPS

Conversor A/D de 12 bits de resolución.

Hasta 8 canales PWM estándar.

Periféricos de comunicación incluyendo UART, SPI, I2C y CAN

Encapsulados de entre 20 y 100 pines.

En el momento de realizar la selección sólo estaban disponibles los dsPIC30F y dsPIC33F. Estos últimos agrupaban los dispositivos más potentes, de cara a una aplicación general, y además para la aplicación de control de motores de un robot, los dos módulos QEI presentes en su arquitectura son un periférico muy conveniente. Por estas razones se pasó a concretar un dispositivo de la familia dsPIC33F.

5.1.3. Elección del dispositivo. dsPIC33FJ64MC802 Dentro de la familia PIC33F se seleccionó un microcontrolador con buenas propiedades para la aplicación de control de tracción. A la ya comentada de disponer de dos módulos QEI se impuso la de estar disponible en un encapsulado DIL-PDIP para poder integrarse en la tarjeta electrónica pinchando en un zócalo de dimensiones fácilmente manejables. El número de patillas (y con ellas, de entradas y salidas) no es tan elevado como en los encapsulados SMD (28 frente a 44 hasta 128), pero son suficientes para la aplicación. Esta condición la cumple el dsPIC33FJ64MC802. Se resumen a continuación las principales características, de este dispositivo:

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Tabla 3. Resumen de características del dsPIC33FJ64MC802 de Microchip

Captura de entrada

PWM estándar (output compare)

PWM para control de motores (Canales) (1)

QEI (Interfaz para encoder de cuadratura)

UART

SPI

ECAN

Interrupciones externas

6, 2

RTCC (Reloj y calendario)

I2C

Generador CRC

1/0

Encapsulado

Timer de 16 bits

Patillas de entrada / salida

Pines remapeables

Puerto paralelo de 8bits (Líneas de dirección)

RAM (Kbyte)

ADC 10 bits / 12 bits (canales)

Memoria Flash de programa (Kbyte)

Periféricos remapeables

Comparador analógico (2canales / Reculador de voltaje)

Patillas

dsPIC33FJ64MC802

21 SDIP

5.2. Creación de proyectos y aplicaciones con el dsPIC 5.2.1.

Lenguajes de programación. El lenguaje C

Para la programación del microcontrolador es necesario utilizar un lenguaje de programación: se utilizan fundamentalmente dos lenguajes en distintos niveles de abstracción: -

Bajo nivel: ENSAMBLADOR.

Se caracteriza porque sus instrucciones tienen un equivalente inmediato en código máquina, el único que el procesador realmente comprende, de manera que la programación se hace a través de una interacción directa con el nivel físico. -

Alto nivel: LENGUAJE C

Se trata de un lenguaje de alto nivel normalizado muy extendido que resulta cercano a la lógica del programador. Puesto que no es un lenguaje directamente comprensible para el procesador, un programa intermedio (compilador) debe traducir de C a ensamblador, de modo que el grado de optimización del código final obtenido depende mucho de dicho compilador, afectando al consumo de memoria y a la velocidad de ejecución de los programas. El lenguaje C presenta ventajas importantes a la hora de realizar una aplicación:

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Mayor facilidad de programación. El lenguaje C dispone de un conjunto de operadores, datos y comandos que le confieren, al mismo tiempo, potencia y facilidad de programación, lo que permite un tiempo de desarrollo de programas mucho menor que con el lenguaje Ensamblador.

Portabilidad entre sistemas. Con el lenguaje C se asegura la portabilidad entre diferentes plataformas hardware o software, lo que quiere decir, por ejemplo, que un algoritmo implementado en C en una plataforma con Linux puede ser adaptado, prácticamente sin modificaciones, a un PIC. Esto permite el aprovechamiento de numerosos algoritmos que se encuentran ya disponibles para otras plataformas diferentes a los PIC. El Ensamblador, por el contrario, ya se ha indicado que es fuertemente dependiente del hardware, por lo que no permite su adaptación de una plataforma a otra distinta.

Desarrollo de programas estructurados. El lenguaje C permite desarrollar programas estructurados en funciones, bloques o procedimientos, lo que proporciona una compartimentación del código. Por el contrario, el Ensamblador no es un lenguaje estructurado, lo que lleva a que los programas desarrollados en ensamblador sean lineales, con el inconveniente que esto implica en lo que se refiere a claridad del código escrito.

Fácil mantenimiento de los programas. Por ser un lenguaje de compresión relativamente fácil.

Aunque el desarrollo de programas para microcontroladores es posible realizarlo totalmente en ensamblador, la utilización del lenguaje C supone una alternativa muy interesante por su rapidez, facilidad, y portabilidad, sin que esto signifique sustituir completamente al ensamblador: en casos en los que se necesita crear partes de código sujetas a determinadas restricciones ( reducido número de instrucciones, alta velocidad de ejecución, uso de hardware específico…) se puede implementar esa parte de código directamente en ensamblador dentro de un programa en C, consiguiendo de este modo un código mucho más eficiente. Por todas estas razones en lo sucesivo será el lenguaje al que nos refiramos por defecto en el desarrollo de aplicaciones con el pic.

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5.2.2. Herramientas de desarrollo. El compilador MPLAB C para dsPIC Microchip proporciona un conjunto de herramientas para el desarrollo de aplicaciones en lenguaje C. Entre ellas se encuentra el compilador “MPLAB C para dsPIC DSCs” que es gratuito en su versión de evaluación (la de menor optimización de código generado). Además del propio compilador, se proporcionan las “Librerías de herramientas del lenguaje” (16-Bit Language Tools Libraries) [22] consistentes en: -

Librería estándar de C

Incorpora la mayoría de funciones normalizadas ANSI-C. -

Librería DSP

Está formada por un conjunto de funciones de procesamiento digital de señal orientadas a su ejecución en los dsPIC30F/33F. -

Librería matemática de punto fijo

Provee un juego de funciones optimizadas para las aplicaciones más comunes de procesamiento de señal, permitiendo ahorros de tiempo importantes frente a funciones equivalentes codificadas en C. Las aplicaciones típicas van desde el control de motores, control digital de energía, pasando por el procesamiento digital de señales, hasta el control en tiempo real utilizando formatos de datos fraccionales. Los formatos presentes en la librería son el Q15 (1.15) y el Q16 (15,16). -

Librería matemática de coma flotante

Se trata de la versión compilada, compatible con IEEE-754 de la librería matemática de C <math.h> incluyendo funciones aritméticas y trigonométricas de simple (32bits) y doble precisión (64 bits). Para comenzar en el desarrollo de aplicaciones en C, Microchip proporciona un documento de referencia, 16-Bits Language Tools Getting Started [23], (“Comenzando con las herramientas de lenguaje para 16bits”). El entorno de desarrollo para estas herramientas es el software MPLAB IDE, que puede descargarse gratuitamente desde la página de Microchip.

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Ilustración 46. Logo del entorno de desarrollo MPLAB IDE de Microchip

Son muy recomendables las siguientes lecturas complementarias: -

MPLAB® Assembler, Linker and Utilities for PIC24 MCUs and dsPIC® DSCs User’s Guide (DS51317) [24]

MPLAB C Compiler for PIC24 MCUs and dsPIC® DSCs User’s Guide (DS51284) [25]

Documentación específica sobre el dispositivo: hojas de características del dispositivo, de su familia así como el manual de referencia para el programador.

5.2.3.

Elementos de un proyecto

El capítulo 2 de [23] desarrolla el tutorial “Cómo crear un proyecto”. Un proyecto en MPLAB está formado por algunos o todos los siguientes archivos: -

Archivo de código fuente: En él o ellos se especifica el dispositivo sobre el que se va a programar, indicándose los archivos de cabecera, librerías y objetos que deben incluirse en el proyecto. Se configura el dispositivo y se implementan los procedimientos que darán lugar a la funcionalidad que se pretende del dispositivo.

Archivos de cabeceras: Estos archivos desarrollan los términos que se usan a nivel software para referirse al hardware de la máquina,

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por ejemplo, indicando a qué posición de la memoria de datos se refiere el registro de configuración de un periférico. -

Archivos de objetos: Estos archivos pueden ser de muchos tipos, por ejemplo fracciones de código pre-compilada que puede insertarse directamente en el código final.

Archivos de librerías: archivos en los que se definen funciones para facilitar procedimientos de cualquier tipo: desde la configuración del dispositivo hasta otras para desempeñar funcionalidades.

Script de unión (Linker script) : comprueba que en las rutas indicadas existen los ficheros a los que se va a hacer referencia en el proyecto. Define las regiones de memoria y tamaño de los mapas según el dispositivo del que se trate (*gld para C30; *lkr para asm).

Otros archivos

Ilustración 47. Estructura de archivos de un proyecto en MPLAB

En la guía de uso del compilador [25] se describe el flujo de datos a través de las herramientas de desarrollo sofware:

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Ilustración 48. Flujo de datos a través de las herramientas software. Tabla 1-1 de la guía de uso del compilador.

La principal diferencia del compilador MPLAB C con el lenguaje C estándar está en la utilización de archivos de soporte para el dispositivo. Estos archivos son: -

Archivo de cabecera, (*.h). Define los registros con funciones especiales (SFR) disponibles para un dispositivo. La sintaxis típica es:

#include <p33fj64mc802.h>

Si el registro tiene bits individuales, habrá también una estructura definida para ese SFR y su nombre será como el del SFR pero seguido de ‘bits’.

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/* CORCON: CPU Mode control Register */ extern volatile unsigned int CORCON __attribute__((__near__)); typedef struct tagCORCONBITS { unsigned IF :1; /* Integer/Fractional mode */ unsigned RND :1; /* Rounding mode */ unsigned PSV :1; /* Program Space Visibility enable */ unsigned IPL3 :1; unsigned ACCSAT :1; /* Acc saturation mode */ unsigned SATDW :1; /* Data space wr saturation enable */ unsigned SATB :1; /* Acc B saturation enable */ unsigned SATA :1; /* Acc A saturation enable */ unsigned DL :3; /* DO loop nesting level status */ unsigned :4; } CORCONBITS;

extern volatile CORCONBITS CORCONbits __attribute__((__near__));

Archivo “linker”: los archivos de cabecera nombran los SFR para un dispositivo, pero no indican su dirección en el mapa de memoria, labor que se realiza a través de este archivo de externsión *.gld.

5.3. Configuración del dsPIC33FJ64MC802 5.3.1.

Hoja de características del dispositivo

Una vez revisada la documentación de carácter general a la que se hace referencia en el apartado anterior puede abordarse la realización de aplicaciones específicas con el microcontrolador seleccionado. Para ello el primer paso será familiarizarse con sus características, y configurarlo para que los recursos físicos disponibles presten el servicio adecuado a la aplicación que se desea implementar. El documento de referencia fundamental es el datasheet

u hoja de

características del dispositivo, en el que en general se agrupan varios modelos que

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comparten las mismas características. Para el dsPIC33FJ64MC802 el documento es el DS70291E [26]. Las hojas de características no son un manual para la iniciación o el aprendizaje en el desarrollo de aplicaciones con el dispositivo, sino una descripción estructurada del mismo. Comienza describiendo las principales características y encapsulados disponibles, así como funciones de las patillas en cada uno de ellos. A continuación, en cada capítulo se desarrolla un tema de forma general, comenzando siempre por referenciar hacia fuentes de información más específicas sobre ese tema, y a otros capítulos relacionados. Los temas de referencia específicos se encuentran agrupados en el “Manual de referencia para la familia dsPIC33F” (dsPIC33F Family Reference Manual) [27]. Son hasta 45 secciones distribuidas en 6 partes. Se hará mención específica de las que sean de aplicación para este proyecto.

5.3.2.

Arquitectura del dsPIC33FJ64MC802

El microcontrolador PIC tiene una arquitectura Harvard modificada, con un juego de instrucciones mejorado que incluye soporte para procesamiento digital de señal, como se muestra en la Tabla 4. La CPU tiene una palabra de instrucción de 24 bits. Todas las instrucciones se ejecutan en un solo ciclo, con la excepción de las que cambian el flujo de programa. Se dispone de 16 registros de trabajo de 16 bits, el último de los cuales (W15) funciona como puntero de pila software para interrupciones y llamadas a rutinas. Hay dos clases de instrucción: las de tipo MCU (tipo microcontrolador) y las DSP (de procesamiento digital)

5.3.2.1.

Motor DSP

Está formado por un multiplicador de alta velocidad de 17 bits por 17 bits, una ALU de 40 bits, dos acumuladores de 40 bits y un desplazador (barrel shifter) bidireccional de 40 bits.

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Resultados Experimentales 99

La principal instrucción de un DSP es la MAC (multiplicación y acumulación). Gracias a la arquitectura de doble bus (X, Y), se puede coger dos datos de áreas diferenciadas de la memoria, mientras se multiplican dos registros de trabajo W y se acumula el resultado, todo en el mismo ciclo.

MAC : A  A   X  Y  Ecuación 1. Multiplicación MAC

5.3.2.2.

Características MCU especiales

La ALU MCU comparte con el motor DSP el multiplicador de 17x17 bits de un solo ciclo. Utilizado para la multiplicación de números de 16 bits por 16 bits permite multiplicaciones con signo mixtas. El pic soporta divisiones 16/16 y 32/16 bits, tanto fraccionarias como enteras, que se ejecutan con operaciones iterativas, dentro de un bucle REPEAT, resultando un tiempo de ejecución de sólo 19 ciclos de instrucción. También el desplazador es compartido entre el motor DSP y la ALU MCU.

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Tabla 4. Diagrama de bloques del dsPIC33FJ64MC802. Fuente: Figura 1-1 DS70291E pag.16

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Resultados Experimentales 101

5.3.3. Características especiales. Registros de configuración Existen una serie de registros de los que depende el funcionamiento de las características especiales del dispositivo. Estos se encuentran ubicados en una zona de la memoria de programa sólo accesible en la etapa de grabación,

pueden dejarse indicados en el código del programa. Para este dispositivo son: -

Bits de configuración para las memorias Flash y RAM: o

_FBS(x)

_FGS(x)

Bits de configuración para la selección de oscilador: o

_FOSCSEL(x)

_FOSC(x)

Bits de configuración para el “perro guardián”: o

_FWDT(x)

Bits para otras funciones generales como asignación de patillas a periféricos, reset, JTAG, ICSP, etc. o

_FPOR(x)

_FICD(x)

Donde (x) re refiere a las opciones de configuración, que pueden ser macros predefinidas en los archivos de cabecera (*.h ó *.inc). Se instala por defecto en: C:\Archivos de programa\Microchip\mplabc30\v3.25\support\dsPIC33F\h Como ejemplo se reproduce lo que puede encontrarse para _FOSCSEL:

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;----- FOSCSEL (0xf80006) -------------------------------------------------; ; Las siguientes posibilidades están disponibles para FOSCSEL: ; ; Oscillator Source Selection: ; FNOSC_FRC Oscilador rápido RC ; FNOSC_FRCPLL Oscilador FRC con PLL ; FNOSC_PRI Oscilador primario (XT, HS, EC) ; FNOSC_PRIPLL Oscilador primario (XT, HS, EC)con PLL ; FNOSC_SOSC Oscilador secundario ; FNOSC_LPRC Oscilador bajo consumo ; FNOSC_FRCDIV16 Oscilador FRC con division por 16 ; FNOSC_LPRCDIVN Oscilador FRC bajo consumo con division por N ; ; Configuración de oscilador a dos velocidades: ; IESO_OFF Deshabilitado ; IESO_ON Habilitado .equiv FNOSC_FRC, 0xFFF8 ; FRC .equiv FNOSC_FRCPLL, 0xFFF9 ; FRC con division y PLL .equiv FNOSC_PRI, 0xFFFA ; Oscilador primario (XT, HS, EC) .equiv FNOSC_PRIPLL, 0xFFFB ; Oscilador prim. (XT, HS, EC) w/ PLL .equiv FNOSC_SOSC, 0xFFFC ; Oscilador secundario .equiv FNOSC_LPRC, 0xFFFD ; Oscilador RC bajo consumo .equiv FNOSC_FRCDIV16, 0xFFFE ; FRC div 16 .equiv FNOSC_LPRCDIVN, 0xFFFF ; FRC bajo consumo con division por N

.equiv IESO_OFF, .equiv IESO_ON,

0xFF7F ; Deshabilitado 0xFFFF ; Habilitado

En las aplicaciones de este programa se utiliza la siguiente configuración:

// Configuracion proteccion flash y ram _FBS(BWRP_WRPROTECT_OFF) // Sin proteccion de escritura _FGS(GCP_OFF) // Sin protección de código // Seleccion del oscilador: _FOSCSEL( FNOSC_FRCPLL & IESO_OFF ) // Fast RC oscillator w/ divide and PLL, two speed off _FOSC(FCKSM_CSDCMD & OSCIOFNC_ON & POSCMD_NONE & IOL1WAY_OFF ) //Clock switch disable, OSC2 digital I/O, Primary oscilator disabled, Allow multiple //reconfig for PeriPortSelect // Configuracion del watch dog _FWDT(FWDTEN_OFF) // Watchdog disabled // Configuraciones generales: I2C, JTAG.. _FPOR(PWMPIN_ON & HPOL_ON & LPOL_ON & FPWRT_PWR1) // PWM Module pins controlled IO port, Active High PWMH y PWML, Power on reset disab _FICD( ICS_PGD1 & JTAGEN_OFF ) // ICD communication channel on PGC1 y PGD1, JTAG port OFF

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Resultados Experimentales 103

5.3.4.

Configuración del oscilador

El oscilador es el sistema responsable de generar los pulsos que marcan el funcionamiento de todo el microcontrolador. Por ello hacerlo “latir” es el primer paso que debe darse. Se permiten 12 opciones como reloj del sistema. Pueden utilizarse dos señales de reloj, dando lugar a un reloj primario y a otro secundario. La señal para el reloj primario puede proceder: -

Del exterior, XT (cristal entre 3 y 10 MHz) o de alta velocidad, HS (entre 10 y 40 MHz) a través de las patillas OSC1 y OSC2,

Del propio dsPIC, de un oscilador interno rápido RC (FRC) a 7,37 MHz. En ambos casos puede configurarse un PLL para obtener frecuencias mayores

o bien un ajuste diferente. La señal para el reloj secundario puede ser externa LP a 32,768 KHz a través de las patillas SOSC1 y SOSC2 ó interna LPRC a la misma frecuencia, y puede utilizarse para el “perro guardián” (WDT) y el “monitor de fallo seguro” FSCM.

Ilustración 49. Diagrama de bloques del oscilador. Fuente: figura 9-1 de DS70291E pag. 146

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De entre las distintas opciones que el dispositivo permite, resultan especialmente interesantes dos:

- Cristal de cuarzo externo. La generación de pulsos mediante circuitería externa tiene como principal ventaja la utilización de componentes estables y calibrados en valores conocidos. En particular, se trataría de incorporar entre las patillas 13 CLKI) y 14 (CLKO) un cristal de cuarzo oscilando a una frecuencia conocida, de entre 3 y 10 MHz para modo XT y entre 10 y 40 MHz para modo HS. Debe interponerse entre ambas patillas una resistencia externa de 1 MΩ La principal desventaja es la dedicación de dos patillas y la necesidad de componentes externos. Hay una complicación más: si se utiliza el PLL interno para aumentar la frecuencia del oscilador, sus características de arranque imponen que el oscilador externo sea de una frecuencia igual ó inferior a 8MHz. En otro caso, debe arrancarse con el oscilador interno y a continuación cambiarse al modo de oscilador externo. Precisamente por ello el oscilador interno FRC es de una frecuencia ligeramente inferior a los 8 MHz (en concreto 7,3728MHz).

Oscilador interno FRC

Este oscilador se basa en la resonancia de un circuito RC. No está calibrado por el fabricante, pero se permiten ajustes por software haciéndolo suficiente para aplicaciones sin exigencias estrictas de sincronización. Por otro lado, utilizar los recursos internos simplifica la circuitería y deja disponibles las dos patillas del oscilador externo para otros usos. Por estas razones se opta por este oscilador en las aplicaciones del proyecto. En el arranque del micro, el oscilador es determinado desde los registros de configuración. Posteriormente puede cambiarse la fuente de reloj hacia lo que se seleccione en el registro de control del oscilador: OSCCON, aunque no se hará en las aplicaciones del proyecto. Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 105

La señal del oscilador es conducida a la entrada del PLL con el deseo de aumentar la frecuencia. Si se deseara disminuir la frecuencia del sistema, también se dispone de un prescaler que tomaría pulsos uno de tantos. Para configurar el lazo PLL es necesario recurrir a la información adicional aportada en el documento “Section 39. Oscillator (Part III)” (DS70216) que forma parte de [27]. Básicamente consiste en asignar valores de ganancias a los distintos bloques que forman el lazo, comprobando iterativamente que los valores de ciertos parámetros se encuentran siempre en rangos permitidos. Los registros implicados son: CLKDIV, PLLFBD y OSCTUN. Según la ecuación 9-2 de las hojas de características:

 M  Fosc  Fin     N1  N 2  Ecuación 2. Frecuencia de oscilador

Para los valores calculados: Fin= 7,37MHz; M=65; N1=3; N2=2, se tiene que Fosc=79,84MHz. Teniendo en cuenta la ecuación 9-3 en la que Fcy= Fosc/2. Por tanto la frecuencia de instrucciones del sistema es Fcy= 39,92 MIPS.

Ilustración 50. Esquema de configuración del oscilador con PLL

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5.3.5. Configuración de entradas y salidas del dispositivo De las 28 patillas del dsPIC en encapsulado PDIP, 15 pueden asignarse a los puertos de entrada y salida. En general, los puertos se encuentran multiplexados con señales de los periféricos, y será el multiplexor el encargado de asignar el control de las señales de la patilla a unos u otros. Cuando un periférico está habilitado y utilizando una patilla, el uso de la misma como salida de uso general se encuentra deshabilitado. Cada patilla de un puerto tiene tres registros asociados a su funcionamiento como entrada/salida digital: -

TRISx determina si la patilla será una salida o una entrada.

LATx almacena el valor actual del bit en el puerto.

PORTx es un camino a leer el valor de la patilla en el puerto y a escribir el LATx.

Ilustración 51. Estructura típica de un puerto que comparte patilla con un periférico. Fuente: Figura 1.1 de DS70291E

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Resultados Experimentales 107

Algunas patillas pueden configurarse individualmente como salidas “colector abierto”, lo que permite proporcionar un nivel alto de hasta 5V utilizando una resistencia pull-up externa. Estas aparecen marcadas con sombra en la Ilustración 52. Algunas patillas pueden funcionar como entradas analógicas para los conversores A/D. Esta funcionalidad, que es citada como ANx, se configura desde el registro AD1PCFGL y las patillas que la tienen vienen como analógicas por defecto. Existe la posibilidad de generar interrupciones por cambio en el valor de las patillas de entrada y salida. Esta prestación se cita como CNx, y se configura desde los registros CNEN1 y CNEN2. Las patillas CNx incorporan una resistencia pull-up débil que puede utilizarse en algunas aplicaciones.

Tabla 5. Asignación de patillas del dsPIC por sistemas

ASIGNACIÓN DE FUNCIONES A PATILLAS DE MICRO dsPIC33FJ64MC802 Patilla

Nombre

Función ppal.

Sistema

Func. Alternativa 1

Sistema alt.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

MCLR/Vpp AN0 AN1 PGED1/RP0 PGEC1/RP1 RB2/RP2 RB3/RP3 Vss CLKI/RA2 CLKO/RA3 RB4 RA4 Vdd RB5 RB6 RB7 PWM2H1 RB9 Vss Vcap PWM1H3 RB11 RB12 RB13 RB14 RB15 Avss Avdd

Reset CS 1 CS 2 PGED1 PGEC1 TX (UART1) RX (UART 1)

CIRCUITERÍA PIC CONTROL MOTOR IZDA. CONTROL MOTOR DCHA. ICSP ICSP UART 1 UART 1 CIRCUITERÍA PIC

Vpp

ICSP

RX (UART 1) TX (UART 1) RTS CTS

UART 1 UART 1 UART 1 UART 1

CLKI CLKO

Reloj externo Reloj externo

Puerto LIBRE Puerto LIBRE Puerto LIBRE Puerto LIBRE CIRCUITERÍA PIC Puerto LIBRE 2A 2B 2PWM 1A

1PWM 1B QEI1A QEI1B QEI2A QEI2B

CONTROL MOTOR DCHA. CONTROL MOTOR DCHA. CONTROL MOTOR DCHA. CONTROL MOTOR IZDA. CIRCUITERÍA PIC CIRCUITERÍA PIC CONTROL MOTOR IZDA. CONTROL MOTOR IZDA. ENCÓDER IZDA. ENCÓDER IZDA. ENCÓDER DCHA. ENCÓDER DCHA. CIRCUITERÍA PIC CIRCUITERÍA PIC

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108 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Ilustración 52. Funciones asignadas a las patillas del dsPIC

5.3.6.

Módulo de conteo Timer 1

Se trata de un timer de 16 bits, que puede usarse como contador de tiempo real, de intervalos libres o como simple contador de pulsos. En la aplicación de control del robot, se utiliza durante la ejecución de una orden de movimiento para generar interrupciones periódicas en cuya rutina de atención de interrupción se sitúa el código responsable de determinar la velocidad base, realizar los cálculos cinemáticos y el control de velocidad, para establecer el accionamiento de los motores.

Ilustración 53. Diagrama de bloques del Timer 1. Fuente: Figura 12.1 de DS70291

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Resultados Experimentales 109

El modo de funcionamiento se selecciona con los bits TCS, TGATE y TSYNC. Para establecer el modo “Timer”: TCS=0, TGATE =0 y TSYNC indiferente. El timer arranca al activar el bit TON (TON=1). El grupo de bits TCKPS<1:0> configuran el pre-escalado de entrada para el módulo. Son potencias de 2. Como se justifica en el apartado 5.4.3.1, se utiliza un período de interrupción de 25ms, que equivalen a un millón de ciclos del reloj del sistema, por lo que el producto del prescaler por el acumulador debe dar una cifra cercana a esa cantidad. Se encuentra que con un pre-escalado de 1:64 y un valor de 15625 cuentas en el acumulador PR1 se alcanzan el número de ciclos de forma exacta. Esto es: TCKPS= 10; PR1= 15625. El código de configuración del módulo es: void InitTMR1(void) { TMR1 = 0; // Reset timer counter T1CONbits.TON = 0; // Apagando el timer 1 T1CONbits.TSIDL = 0; // El modulo continua durante modo sleep T1CONbits.TGATE = 0; // Gated timer accumulation disabled T1CONbits.TCS = 0; // se usa Tcy como fuente de reloj T1CONbits.TCKPS = 2; // Tcy / 64 as input clock PR1 = 15625; // Período de interrupción de 25ms con prescaler de 64 IFS0bits.T1IF = 0; // Bajar bandera de interrupción por TMR1 IEC0bits.T1IE = 1; // Habilitando interrupcion por TMR1 T1CONbits.TON = 1; // Encendiendo TMR1 return; }

La rutina de atención a la interrupción tiene como declaración la siguiente: void __attribute__((__interrupt__)) _T1Interrupt (void)

5.3.7. Selección de patillas para uso por periféricos (PPS) Existe una funcionalidad del dsPIC que aumenta mucho su versatilidad al permitir al desarrollador amoldar el micro a la aplicación en vez de amoldar la aplicación al micro. Se trata de la selección de patillas para periféricos, PPS.

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110 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Consiste en configurar el mapa de patillas asignadas a las entradas y salidas de periféricos por vía software. Las patillas que pueden ser remapeadas son citadas como RPx. Esta acción puede hacerse en tiempo de ejecución, y por ser crítica, para evitar daños la operación requiere seguir una secuencia de desbloqueo de un cerrojo, previo y posterior a la escritura del registro que controla el direccionamiento.

5.3.7.1.

Mapeo de entradas a periféricos

El mapeo del entradas a periféricos se realiza en base al periférico. Un registro de control asociado a cada periférico determina la patilla a la que están vinculadas sus entradas: RPINRX. Cada registro contiene campos de 5bits, de manera que en esos 5 bits se apunta la patilla RPx a la que va ligado. Como ejemplo, el mapeo de la entrada RX al periférico UART1: la señal de entrada U1RX es tomada por el periférico de la patilla que se indica en los bits de configuración U1RXR<4:0> del registro RPINR18 (Ver tabla 11-1 del datasheet para todas las opciones).

Ilustración 54. Multiplexado de la entrada U1RX del periférico UART desde distintas patillas del micro. Fuente: Figura 11-2 de DS70291E

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Resultados Experimentales 111

5.3.7.2.

Mapeo de salidas de periféricos

A diferencia de las entradas, las salidas de periféricos se mapean en base a la patilla de salida. Los registros RPORx, contienen campos de 5 bits asociados a cada una de las 16 patillas RPx, de modo que esos 5 bits determinan el periférico conectado a dicha patilla. El juego 00000 en el registro de una patilla permite mantenerla desasociada de cualquier periférico. Como ejemplo, el mapeo de la salida TX del periférico UART1: se conduce hasta la patilla RPn la salida de periférico indicada por los bits RPnR<4:0>, 00011 para TX de UART1 (ver tabla 11-2 de DS70291 para todas las opciones).

Ilustración 55. Multiplexado de una patilla de salida desde varios periféricos. Fuente: Figura 11-3 de DS70291E

5.3.8.

Módulo PWM para control de motores.

La modulación de anchura de pulso (PWM) es una técnica utilizada para variar la alimentación de una carga mediante la variación del tiempo efectivo que ésta

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112 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

permanece activada, gracias a la conmutación de alta frecuencia con dispositivos electrónicos. Aplicada sobre la estructura de puente H de la etapa de potencia del robot, permite variar la velocidad de giro de los motores en ambas direcciones. El dsPIC33FJ64MC802 incorpora un módulo hardware orientado a la generación de las señales PWM que tiene las siguientes características de interés: -

Hasta 6 canales de hasta 16 bits de resolución, con tres generadores independientes de tiempo activo (duty cycle).

Disparo del conversor A/D dependiente de la operación PWM.

Modos de operación “alineación al centro” o “alineación con el flanco”.

Frecuencia PWM con reloj del sistema a 40MIPS de 40KHz con resolución de 11 bits en modo alineado con el flanco.

Para una descripción detallada del módulo es necesario recurrir al documento “Section 14. Motor Control PWM” (DS70187) de [27] (Family Reference Manual).

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Resultados Experimentales 113

Ilustración 56. Diagrama de bloques del módulo PWM de 6 canales (PWM1). Fuente: figura 161 de DS70291

El bloque funcional “PWM Time Base” se ocupa de generar el período de la señal PWM. El módulo utiliza un contador de pulsos o TIMER de 15 bits, PxTMR al que llegan los pulsos de reloj tras ser pre-escalados (uno de tantos). La lógica se encarga de comparar este valor con el del registro en el que se carga el número de pulsos correspondientes a un período deseado PxTPER y al igualarse, se pone a 0

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el valor en el contador y se genera la señal correspondiente a un nuevo pulso PWM. Los parámetros definitorios de la señal PWM son: -

Período: determina la duración total de cada señal elemental.

“Duty Cycle” o período activo: parte activa de la señal elemental.

Se desea generar una señal PWM a una frecuencia en el entorno de 10KHz, esto es, con un período aproximado de 1/10000 = 100 microsegundos. Oscilando a 40 MIPS el período del oscilador principal es de 0,025 microsegundos. Por tanto, el período deseado supone 4000 pulsos del oscilador principal. MÁXIMA

RESOLUCIÓN

DEL

PWM

PARA

CONDICIONES

FUNCIONAMIENTO La resolución máxima que puede alcanzarse depende de la frecuencia de trabajo del oscilador y de la frecuencia de la señal que se desea generar. Según la ecuación 14.3 en la página 14 de [27]:

 2  FCY PWMresolut ion  log 2   FPWM

  

Ecuación 3. Resolución de módulo PWM

Luego

 2  40e 6 PWMresolution  log 2  3  10e

   12bits max 

El registro PxTMR es de 15 bits, por lo que sin pre-escalado, podrían abarcarse hasta 32767 ciclos de reloj, luego 0,819 milisegundos. Esto podría ser suficiente para trabajar a 10KHz, pero no para frecuencias PWM menores, que resulta aconsejable interponer un pre-escalado: -

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PS 1:16

por lo

Resultados Experimentales 115

Permite un período máximo de: 0,025 us* 16*2^15= 13,107 ms Y una precisión de: 0,025 us* 16 = 0,4 us -

PS 1:4

Permite un período máximo de: 0,025 us*4*2^15= 3,2768 ms Y una precisión de: 0,025us*4=0,1us Resulta ventajoso elegir el prescaler de 1:4 porque permite más resolución en la señal PWM generada. Esto se consigue cargando el valor binario 01 al registro PTCKPS<1:0>.

CONFIGURACIÓN DEL PERÍODO: El período de la señal PWM se determina configurando el número de cuentas de la base de tiempos, en el registro PTPER<14:0>

Para este caso, deseando una frecuencia de 10 KHz, utilizando la ecuación 141 de [27]:

PxTPER 

FPWM

FCY 1  PxTMR _ Pr escaler 

Ecuación 4. Configuración del período PWM

PXTPER 

40e6  1  999 10e3  4

El contador PxTPER se incrementa en una unidad cada 0,1 us.

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CONFIGURACIÓN DEL CICLO ACTIVO (DUTY CYCLE)

Ilustración 57. Resolución y sincronismo según PxTMR y PxDCY en modo "Free running" y prescaler 1:1. Fuente: Figura 14-15 de Family Reference Manual.

Ilustración 58. Lógica de comparación del ciclo activo (Duty Cycle). Fuente: figura 14-16 de Family Reference Manual.

El objetivo del circuito lógico asociado al DCy es generar en el instante programado un flanco. Para ello, se comparan los registros PxTMR (15 bits), timer del módulo PWM con los 15 bits más significativos <15:1> del registro PxDCy, que almacena el valor programado para el período activo, de modo que se genera un flanco cuando ambos son iguales.

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Resultados Experimentales 117

El utilizar los 15 bits más significativos implica dividir por dos el valor del registro completo. Por tanto, por resumirlo de forma sencilla, el valor que debe cargarse en el registro PxDCy <15:0> debe ser el doble del valor que debe alcanzar el timer en el su conteo: PxTMR<14:0>. El valor máximo que alcanza el timer PWM es el que determina el período PxTPER. Para un ciclo activo del 100% del período de la señal PWM, se cargará en PxDCy el doble de PxTPER. De forma proporcional entre ese valor y 0 se consiguen períodos activos entre el 100% y el 0%.

Para los ajustes de configuración del módulo PWM que se incorporan al código de las aplicaciones con el robot, es conveniente comprobar la señal de salida esperada. Se utiliza la simulación con MPLAB SIM, que forma parte del entorno de desarrollo MPLAB

Simulación 1: P1TPER= 999 (T= 0,1 ms)

P2TPER=999 (T2 =0,1ms)

P1DC3=500 (DC=25%) P2DC1=999 (DC2 =50%)

PWM1H3

4006

PWM2H1

0,0

2000,0

4000,0

6000,0

8000,0

10000,0

12000,0

14000,0

16000,0

18000,0

20000,0

22000,0

24000,0

Ilustración 59. Simulación con MPLABSIM de señales PWM para la configuración realizada.

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118 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

DISPARO DE EVENTOS ESPECIALES El módulo tiene circuitería para provocar disparos ante eventos especiales (Special Event Trigger), de una nueva conversión analógico digital en el módulo ADC. Esto es muy útil para crear lazos de control realimentados. Esta circuitería compara el valor del contador PxTMR (en base al cual se genera el período de la señal PWM) con el valor del registro PxSECMP, para activarse cuando se igualan. Un post-escalado hace que sólo se genere un disparo una de tantas veces que la comparación resulte positiva. Este post-escalado se configura en los bits SEVOPS <3:0> del registro PWMxCON2. Puede ajustarse el punto exacto en el que se fuerza la conversión A/D. El post-escalado sólo da opciones potencias de 2, por lo que la versatilidad es limitada.

INTERRUPCIÓN POR DESBORDAMIENTO DEL CONTADOR La generación de interrupciones en los módulos PWM depende del modo de operación seleccionado para la base de tiempos (bits PTMOD del registro PxTCON<1:0>) y del post-escalado seleccionado (con los bits PTOPS del registro PxTCON<7:4>). En modo de funcionamiento “free running”, cada vez que el contador de la base de tiempos PxTMR, alcanza el valor consignado en el registro PxTPER, es puesto a cero. Se produce en ese instante una solicitud de interrupción. El contador continúa contando en sentido ascendente. Se dispone de un post-escalado para que sólo se produzca interrupción en una de tantas.

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Resultados Experimentales 119

5.3.9. Módulo de interacción con encóder de cuadratura QEI 5.3.9.1.

Descricpción del módulo

El QEI consiste en un decodificador (máquina de estados) de las señales típicas procedentes de un encóder incremental (QEA, QEB, INDX), un contador y un comparador. Además tiene filtros digitales para las señales y permite disparar interrupciones ante eventos programados. Para conocer los detalles de su funcionamiento puede recurrirse al documento ”Section 15. Quadrature Encoder Interface (QEI)” (DS70208) de [27] (Family Reference Manual). El módulo QEI incluye: -

Tres entradas QEA, QEB, INDX.

Filtros digitales programables para las entradas.

Un decodificador que proporciona pulsos y dirección al contador.

Contador de 16bits (0-65000) (POSxCNT)

Bit testigo de sentido de conteo.

X2 X4 divisor de escala.

Dos modos de reset del contador de posición: o

por valor máximo (MAXxCNT)

por señal del INDEX

Modo de contador/timer de 16 bit de propósito general

Generación de interrupciones por el módulo QEI o por eventos del contador.

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120 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Ilustración 60. Diagrama de bloques simplificado de un módulo QEI. Fuente: figura 15-2 de DS70208.

Registros de control y estado: -

QEIxCON: Control del módulo y flags de estado. 0-65000

DFLTxCON: Configuración del filtro digital

POSxCNT: Permite la lectura o escritura del contador de posición.

MAXxCNT: Mantiene el valor que

es comparado con

POSxCNT.

Ilustración 61. Modelo para el programador del QEI

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Resultados Experimentales 121

Tabla 6. Registro QEIxCON de configuración del QEI. Fuernte: Registro 15-1 de DS70208

- Bit 15 CNTERR: Bit monitor de error de conteo (1 si un error ha ocurrido). Sólo si QEIM<2:0>= 110 ó 100 - Bit 14 No implementado. Leído como 0. - Bit 13 QEISIDL: Parada en modo “idle”, si puesto a 1. Si puesto a 0, continúa. - Bit 12 INDEX: estado de la patilla “índice”. - Bit 11 UPDN: bit monitor de dirección de conteo. 1 = dirección de contador de posición es positiva (+) 0 = dirección de contador de posición es negativa (-) (Sólo lectura si QEIM <2:0> = 1xx) (Lectura / escritura cuando QEIM<2:0> = 001)

- Bit 10-8 QEIM<2:0> 111 = QEI habilitado (modo x4) con contador de posición puesto a cero al igualar MAXxCNT 101 = QEI habilitado (modo x2) con contador de posición puesto a cero al igualar MAXxCNT

- Bit 7 SWAPAB: Las entradas A y B están intercambiadas (0: no; 1: sí). - Bit 6 PCDOUT: Habilita el control de la salida por el monitor de dirección de conteo, de modo que si el bit está activo, la patilla muestra esa salida. Si inactivo, la patilla tendrá su funcionamiento por defecto. - Bit 5 TQGATE: bit que habilita el uso del contador de posición como contador de tiempo. - Bit 4-3 TQCKPS <1:0> prescaler para la entrada del contador de tiempo (una de tantas): Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

122 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

11 = 1:256 valor de pre-escalado 10 = 1:64 valor de pre-escalado 01 = 1:8 valor de pre-escalado 00 = 1:1 valor de pre-escalado

- Bit 2 POSRES: habilitación de puesta a cero para el contador de posición 1 = Pulsos de índice ponen a cero el contador de posición 0 = Pulsos de índice no ponen a cero el contador de posición

- Bit 1 TQCS: bit de selección de fuente de pulsos para el contador de tiempo

1 = reloj externo en la patilla QEAx (en el flanco de subida) 0 = reloj interno (Tcy)

- Bit 0 UDSRC: bit de control de la dirección del contador de posición 1 = el estado de la patilla QEBx define la dirección de conteo 0 = el bit de control / estado UPDN define la dirección de conteo para POSxCNT

Tabla 7. Registro DFLTxCON de control del filtro digital para QEI. Fuente: registro 15-2 de DS70208.

- Bit 15-11 No implementado. - Bit 10-9

IMV<1:0> bits de coincidencia para reset por índice. Permite

concretar el estado de las señales QEAx y QEBx para producirse la puesta a cero al activarse la señal de índice. - Bit 8 CEID: habilitación de interrupción por error de conteo (1: deshabilitado; 0: activado).

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Resultados Experimentales 123

- Bit 7 QEOUT: habilitación de salida de filtro digital (1: habilitado; 0: desactivado). - Bit 6-4 QECK <2:0> selección del divisor de reloj para el filtro digital: 111 = 1:256 divisor de reloj para QEAx/QEBx/INDXx 110 = 1:128 divisor de reloj para QEAx/QEBx/INDXx … 000 = 1:1 divisor de reloj para QEAx/QEBx/INDXx

- Bit 3-0 No implementado

Contador ascendente / descendente de pulsos de posición POSxCNT Es un registro de 16 bits que admite lectura y escritura. En el modo de funcionamiento a máxima precisión del QEI (x4), tenemos 64cuentas por revolución del eje motor. La distancia recorrida correspondiente al máximo de pulsos que el POSxCNT puede contar es:

(65536 cuentas/64cpr (motor) *29 rev.motor/ rev.rueda )* pi*9,8cm= 1087,12 cm

Otras magnitudes derivadas: -

1856 pulsos encoder / vuelta de rueda

30,788 cm / vuelta de rueda

0,0166 cm/pulso del encóder

Por lo que para desplazamientos simples no será necesario reiniciar el contador (bastará poner a cero al principio y que la rutina correspondiente se ocupe de ponerlo a cero al terminar la maniobra). Uso de MAXxCNT para resetear el contador de posición POSxCNT En la aplicación de control del robot, los módulos QEI son configurados en modo x4 (QEIM <2:0> =111). El reset por pulso de índice no es utilizado, y el contador de posición es reseteado por coincidencia con valores predeterminados alto y bajo:

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124 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Si el encóder evoluciona en sentido creciente (esto es, la fase A

adelanta a la fase B), y el valor en el registro POSxCNT alcanza el valor en registro MAXxCNT, POSxCNT es puesto a 0 en el siguiente pulso de cuadratura

que

incremente

POSxCNT.

Ocurre

entonces

una

interrupción. Si el encóder evoluciona en sentido decreciente (fase B adelanta a fase

A), y el valor en POSxCNT desciende hasta 0, se carga en el registro POSxCNT el valor en MAXxCNT en el siguiente pulso que decremente el contador, y en ese instante se produce una interrupción. Por tanto, para fijar el límite de movimientos hacia delante, el número de pulsos de recorrido se cargará en MAXxCNT y se pondrá a 0 el contador de posición. Por el contrario, para movimientos hacia atrás, se cargará el número de pulsos de recorrido en POSxCNT y el fin del movimiento vendrá dado por la interrupción al alcanzar el valor 0. El valor de MAXxCNT se establecerá en uno mayor que el de POSxCNT de partida.

5.3.9.2.

Configuración del módulo para la aplicación

Para realizar la configuración de este modulo hardware, se siguen las indicaciones que se hacen en el documento Measuring Speed and Position with the QEI Module (DS93002A) [28].

Los encóder utilizados en este proyecto, tienen las siguientes características: -

2 Canales (A, B) sin pulso índice.

64 CPR máximo, contando flancos de subida y bajada (modo x4).

Valor lógico 1 equivale a Vcc aproximadamente.

Es recomendable filtrar la señal de salida de los encóder para eliminar ruido de alta frecuencia (glitches).

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 125

Ilustración 62. Propagación de señal a través de filtro. Fuente: Figura 4 DS93002A

Como se aprecia en la ilustración, el filtrado de la señal introduce un pequeño retraso. El filtrado consiste en que no se toman en cuenta cambios que no se mantengan durante tres flancos de subida del reloj. Por ello, se adapta la señal del reloj principal con un divisor (toma una de tantas), de modo que la señal a la salida del divisor tenga una duración menor a un tercio de la mínima señal del encóder.

Para el cálculo del filtro, es necesario obtener la duración del pulso mínimo. Se considera la Ecuación 1 de [28], en la que el pulso mínimo se calcula a partir de la resolución del encóder y la velocidad máxima del motor. -

Resolución: 16 flancos ascendentes por vuelta del motor/canal.

Velocidad máxima del motor: 5100rpm a 12V. Tomo por seguridad 6000rpm.

MIN _ PULSE 

60 seg  312,5us 6000rpm  32cpr

Ecuación 5. Tamaño de pulso de encóder mínimo

Debe utilizarse un divisor de pulsos que puede calcularse con la ecuación 2 de [28]:

FILTER _ DIV 

40mips * 312,5u sec  4166,4 pulsosFcy / pulsofiltr o 3

Ecuación 6. Ajuste de filtro software para módulo QEI

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126 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Como el máximo divisor es de uno cada 255, con este filtrado pasa-bajos se rechaza ruido de tiempo característico inferior a 19,125us (frecuencia mayor de 26,143 KHz). Se selecciona el modo X4 para aprovechar toda la resolución que permite el módulo, de modo que el contador de posición evoluciona en cada flanco de las señales QEA o QEB, alcanzando las 64 cuentas por vuelta del eje motor.

Ilustración 63. Señales del encóder en modo x4. Fuente: figura 5 de DS93002A.

5.3.10.

Puerto de comunicación serie UART

5.3.10.1. Descripción del módulo El dsPIC incorpora dos módulos UART (emisor-receptor asíncrono universal). Se destina uno de ellos a la comunicación para el gobierno de la placa de control de tracción desde el exterior. La UART del dsPIC es un sistema “full duplex” (permite comunicación bidireccional) capaz de comunicar con interfaces RS232, RS484, LIN 2.0 presentes en numerosos sistemas digitales. Las características más importantes son: -

full duplex con transmisión de 8 ó 9 bits de datos a través de UxTX y UxRX

opciones de paridad: par, impar o sin paridad, para datos de 8 bits.

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 127

uno o dos bits de parada

posibilidad de control hardware de flujo a través de UxCTS (activa a nivel bajo) y UxRTS (activa a nivel bajo)

Generador de baud rate con prescaler de 16 bits.

Baud rate de 10Mbps hasta 38bps a 40 MIPS.

Buffer de 4 datos FIFO tanto para recepción como para envío

Detección de errores.

Posibilidad de generar interrupción por recepción y envío.

Interrupción independiente para cada fuente de error

Modo “loopback” para depuración (salida conducida a entrada).

Soporte para otras funciones.

Para conocer en detalle el funcionamiento y manejo del módulo es necesario recurrir al documento “Section 17. UART (DS70188)” de[27] (Family Reference Manual).

Ilustración 64. Diagrama de bloques simplificado de puerto UART. Fuente: figura 17-1 de DS70188D

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128 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Registros de control y estado: -

UxMODE: registro que controla el modo de funcionamiento o

Habilitación / deshabilitación del módulo

Habilitación de la función “loopback”

Habilitación de las patillas de control de flujo.

Selección del baudrate.

Selecciona el número de bits por dato, paridad y bits de parada.

UxSTA: registro de control y estado de la UART. Habilitación, deshabilitación y modo de interrupciones de

envío y recepción. -

UxRXREG: registro que almacena el dato recibido.

UxTXREG: registro que almacena el dato que va a ser transmitido.

UxBRG: registro que almacena el baudrate de la comunicación.

Tabla 8. Registro UxMODE. Fuente: registro 17-1 de DS70188D

- Bit 15 UARTEN: Bit de habilitación del módulo (1: habilitado; 0: deshabilitado). - Bit 11 RTSMD: selección de modo para la patilla UxRTS (1: modo simplex; 0: modo control de flujo).

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 129

- Bit 9-8 UEN<1:0>: modo de funcionamiento de las patillas asociadas al módulo. 11 = Sólo UxCTS deshabilitado, BCLKx habilitado 10 = Todas las señales habilitadas. 01 = Sólo UxCTS deshabilitado, UxRTS habilitado 00 = Hablitadas UxRX y UxTXSeñales de control de flujo deshabilitadas.

- Bit 6 LPBACK: Habilitación de modo loopback (1: activo; 0: inactivo). - Bit 2-1 PDSEL <1:0>: selección formato de datos y paridad. 11 = Datos de 9 bit sin paridad. 10 = Datos de 8 bit paridad par. 01 = Datos de 8 bit paridad impar. 00 = Datos de 8 bit sin paridad.

Tabla 9. Registro UxSTA de control y estado de UART . Fuente: registro 20-2 de DS70291E

- Bit 15-13 UTXISEL <1:0>: selección de modos de interrupción en transmisión 11 = No usado. 10 = Interrupción al transferirse carácter al registro intermedio, y quedar el buffer vacío. 01 = Interrupción al transmitirse el último caracter. 00 = Interrupción al transferirse carácter al registro intermedio, quedando al menos

- Bit 10 UTXEN:

habilitación de la transmisión. NUNCA ANTES DE

HABILITAR UARTEN. (1: transmisión habilitada; 0: inactivo, con patillas bajo control del puerto). - Bit 9 UTXBF: Bit monitor de estado “buffer de transmisión completo”. Es de sólo lectura. (1: buffer lleno). Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

130 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

- Bit 8 TMRT: Bit monitor de estado “registro de desplazamiento para transmisión vacío”. 1 = Registro de desplazamiento y buffer de transmisión vacíos (la última transmisión se completó). 0 = Registro de desplazamiento para transmisión no-vacío. Una transmisión está en curso o parada.

- Bit 7-6 URXISEL <1:0>: selección de modo de interrupción en recepción: 11 = Interrupción ante recepción que deja el buffer de recepción lleno (tiene 4 caracteres). 10 = Interrupción ante recepción que deja el buffer con 3 caracteres. 0x = Interrupción cualquier carácter es recibido y transferido desde UxRSR al buffer.

- Bit 0 URXDA: bit monitor del estado “espacio disponible en el buffer para recibir un dato”, (1: el buffer tiene datos pero uno más puede ser recibido; 0: el buffer de recepción está vacío).

5.3.10.2. Configuración del módulo para la aplicación Es necesario determinar el valor que cargar en el registro UxBRG para la generación del baud rate adecuado. No se tienen exigencias de comunicación críticas, por lo que para esta aplicación se configurará el puerto UART

condiciones habituales: -

Baud rate= 9600 baudios.

Datos de 8 bits. Sin paridad

Un bit de parada.

Se utiliza a ecuación 17-1 de DS70188D para el cálculo de UxBRG:

UxBRG 

40000000 / 9600  1  25 16

Ecuación 7. Cálculo del generador de tasa de bits

Se utilizarán como referencia los ejemplos de código 17-2 y 17-3 de DS70188D.

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 131

Controlador de interrupciones

5.3.11.

5.3.11.1. Descripción del módulo El mecanismo de las interrupciones hace posible la coordinación de tareas hardware llevadas a cabo por periféricos, y tareas software en ejecución dentro de la CPU, permitiendo la atención a eventos de forma síncrona. El controlador de interrupciones reduce las numerosas señales de solicitud de interrupción de los distintos periféricos a una única señal de interrupción de la CPU. El controlador de interrupciones tiene las siguientes características: -

Hasta ocho excepciones del procesador y traps software.

Ocho niveles de prioridad seleccionables por el usuario.

Tabla de vectores de interrupción (IVT) con hasta 118 vectores.

Un único vector para cada fuente de interrupción o excepción.

Prioridad fija dentro de cada nivel de prioridad seleccionado por el usuario.

Tabla alternativa de vectores de interrupción, usada para depuración.

Latencia fija tanto para entrada como para salida de una interrupción.

Tabla de vectores de interrupción La tabla de vectores de interrupción reside en la memoria de programa, comenzando en la posición 000004h. Contiene 126 vectores, siendo 8 para traps, no enmascarables, y 118 para las distintas fuentes de interrupción. Cada vector está formado por 24 bits, en los que se almacena la dirección de programa donde comienza la rutina de atención a la interrupción asociada (ISR). Los vectores son priorizados en base a su prioridad natural, que se refleja en su posición en la tabla: direcciones más bajas tienen más prioridad.

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132 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Es conveniente que las posiciones no utilizadas de las tablas lleven a una rutina por defecto, en general con una orden de RESET.

Ilustración 65. Tabla de vectores de interrupción. Fuente: figura 7-1 de DS70291E

Tabla alternativa de vectores: El acceso a dicha tabla, que se encuentra contigua en la memoria de programa, es regulado por el bit de control ALTIVT (INTCON2<15>). Esto es de utilidad en depuración: se pueden implementar rutinas distintas que las de ejecución (por ejemplo, simple monitoreo en vez de ejecución de acciones).

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 133

Si no se requiere su uso, conviene cargar las mismas rutinas para la tabla alternativa que para la principal.

Registros de control y estado de las interrupciones Se utilizan un total de 30 registros relativos al controlador de interrupciones: -

INTCON1, INTCON2: Gobiernan las funciones globales de control de interrupción.

IFSx:

Contienen todas las banderas de solicitud de

interrupción. Cada fuente de interrupción tiene un bit de estado, que es activado por el periférico correspondiente o anulado por software. -

IECx: Contienen los bits de habilitación de interrupciones

IPCx: Contienen la designación de nivel de prioridad para cada fuente de interrupción.(entre 8 posibles niveles).

INTTREG: Contiene el número de vector de interrupción que está siendo atendido (VECNUM<6:0>) y el nivel de prioridad actual de la CPU (ILR<3:0>), que es el de la interrupción en curso.

Aunque no son parte específica del hardware de control de interrupciones, hay además dos registros que determinan el comportamiento de las interrupciones:

SR: Registro de estado de la CPU, contiene los bits IPL<2:0> que indican el nivel de prioridad actual de la CPU. Este registro puede ser escrito para cambiar dicho nivel.

CORCON: Contiene el bit IPL <3> que junto a los IPL <2:0> determina el nivel de prioridad de la CPU, pero es un bit de sólo lectura, de modo que las trap no sean enmascarables.

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134 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

5.3.11.2. Configuración de las interrupciones Una interrupción se ejecuta si se cumplen las siguientes 3 condiciones: 1. Se encuentra habilitada su fuente. 2. Se produce la circunstancia de activación de su bandera. 3. El nivel de prioridad de la CPU es igual o menor al de la fuente de interrupción En ese caso el controlador de interrupciones carga en el contador de programa la dirección donde se encuentra la rutina de atención de la interrupción. Dicha dirección está almacenada en el vector de interrupción correspondiente. Por tanto, en la planificación de estados del sistema que se desea controlar, debe asociarse cada estado a un nivel de prioridad de la CPU, de modo que sólo se ejecuten aquellas interrupciones más prioritarias. Los pasos que deben seguirse para cada fuente de interrupción son: 1. Crear la rutina de atención a la interrupción. Esto depende fuertemente del lenguaje y compilador utilizado. Para el compilador C30, se trata de una función etiquetada con el atributo de interrupción -interrupt-, de modo que el compilador carga la dirección de esta función en el vector correspondiente de la tabla de vectores de interrupción. Cuando se produce la interrupción, el controlador de interrupciones carga en el registro INTTREG el número de vector de interrupción para la solicitud entrante, VECNUM <6:0> y su nivel de prioridad: ILR<3:0>. Dentro de la rutina, como mínimo debe restablecerse el bit testigo de interrupción, en el registro IFSx.

void __attribute__((interrupt, no_auto_psv)) _QEI1Interrupt(void) { IFS3bits.QEI1IF=0; // Restablece el flag }

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 135

2. Indicar el nivel de prioridad que le asignamos, escribiendo el registro IPCx. Por defecto, ante un reset, las interrupciones de usuario se cargan con nivel 4. 3. Restablecer el bit testigo correspondiente a la interrupción: IFSx. 4. Habilitar la interrupción en el registro IECx. Con carácter general, si se desean deshabilitar las interrupciones anidadas, se pone a uno el bit NSTDIS (INTCON<15>).

Tabla 10. Interrupciones utilizadas en las aplicaciones de control del robot Num. Vector

Dirección IVT

Dirección AIVT

1 4 11 15 16 19 20 27

0x000006 0x00000C 0x00001A 0x000022 0x000024 0x00002A 0x00002C 0x00003A

0x000106 0x000106 0x00011A 0x000122 0x000124 0x00012A 0x00012C 0x00013A

0x000088

0x000188

0x0000AA

0x0001AA

Fuente de Interrupción

Fallo del oscilador Error matemático T1- Timer 1 T2- Timer 2 T3- Timer 3 U1RX- UART1 Receptor U1TX- UART2 Transmisor Int. Notificación de cambio QEI1- Position Counter Compare QEI2- Position Counter Compare

5.4. Programa de control del robot Es el responsable de llevar a cabo de forma autónoma las tareas asignadas, disponiendo para ello de los recursos físicos de la máquina.

El programa se estructura en rutinas y funciones que desempeñan labores específicas.

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136 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

5.4.1.

Rutina principal

La rutina principal se ocupa, en primer lugar, de ejecutar las funciones de configuración de los periféricos y habilita las comunicaciones con el exterior. Crea las estructuras de datos sobre las que trabajarán las demás rutinas e inicializa las variables del sistema.

A continuación entra en un bucle infinito que se ocupa de secuenciar la ejecución de las órdenes de movimiento. Mientras no haya órdenes en la cola o mientras estas se ejecutan, la rutina principal permanece en estados de espera. Si está activado el registro de datos, al término de cada orden de movimiento envía dichos datos por el puerto de comunicaciones en formato CSV (valores separados por coma).

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 137

Ilustración 66. Diagrama de flujo rutina principal

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138 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

5.4.2. Rutina de recepción y administración de comandos recibidos Esta rutina se ejecuta de forma asíncrona como interrupción por recepción de caracteres por el puerto UART. La rutina tiene que componer los mensajes recibidos a partir de sus caracteres sueltos. Una vez recibido un mensaje coherente, procede a su decodificación en los paquetes de datos que lo forma.

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 139

Ilustración 67. Rutina de interrupción por recepción de caracteres en UART1

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140 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Los mensajes tienen una estructura definida, basada en el modelo GDB [29]: -

comienzan por el carácter ‘$’

un comando especifica el tipo de mensaje del que se trata

opcionalmente, dentro de un par de corchetes, y separados por coma, se tienen campos correspondientes a valores de parámetros o variables a los que el comando hace referencia.

el mensaje termina con el carácter ‘#’.

Los tipos de comandos que se han habilitado son:

5.4.2.1.

Comando de orden de movimiento: MOV.

Va seguido de combinaciones del valor de algunas variables a partir de las que puede componerse cualquier trayectoria simple. Las opciones disponibles son: -

MOV[V,Fipunto,S,x,x]

MOV[0,Fipunto,0,Fi,x] Tabla 11. Comando orden de movimiento

COMANDO ORDEN DE MOVIMIENTO $MOV[V,Fipunto,S,Fi,t]# Campo V Fipunto S Fi t

Tipo Unidad int mm/s int grados/s int mm int grados No implementado

Min

Max -1500 -360 -9999 -9999

1500 360 9999 9999

La gestión de este tipo de orden continúa componiendo una orden de movimiento y cargándola en la cola FIFO de órdenes.

5.4.2.2. Comando para establecer el valor de variables o parámetros del sistema: SET Este va seguido de corchetes, en cuyo interior se introduce en primer lugar una cadena de caracteres con el nombre de la variable, seguido por el valor. Las opciones soportadas se muestran en la Tabla 12. Comando anotar variables Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 141

Tabla 12. Comando anotar variables

COMANDO ANOTAR VARIABLES $SET[Var,Valor]# Var Kp_i Ki_i Kd_i Kp_d Ki_d Kd_d A_mmps

Tipo float float float float float float float

Unidad mm/s^2

Min

Max 0 0 0 0 0 0 -2000

9,99 9,99 9,99 9,99 9,99 9,99 2000

5.4.2.3. Comando para extraer el valor de variabes o parámetros: ASK El comando va seguido del nombre de la variable, entre corchetes. Son soportadas las mismas variables que para SET. Tabla 13. Comando extraer variables

COMANDO EXTRAER VARIABLES $ASK[Var]# Mismas opciones que para anotar variables

5.4.2.4.

Comandos para establecer modos de funcionamiento:

Mediante estos comandos se habilitan o deshabilitan funcionalidades del programa, tales como el control en lazo cerrado de velocidad o el registro y envío de las variables cinemáticas muestreadas. Tabla 14. Comandos de modo

COMANDOS DE MODO $CTRL ON#

Activa la rutina de control

$CTRL OFF#

Desactiva la rutina de control

$LOG ON#

Activa el registro de datos

$LOG OFF#

Desactiva el registro de datos

$WHO#

Muestra mensaje presentación

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142 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

5.4.2.5.

Comandos para componer trayectorias básicas:

El comando SQR compone una trayectoria cuadrada a partir de órdenes de giro

desplazamiento

recto.

Esta

trayectoria

útil

para

calibrar

los

desplazamientos del robot. El comando CIR compone una trayectoria en forma de círculo, que resulta de utilidad entre otros para calibrar el factor de deslizamiento de las ruedas. Tabla 15. Comandos trayectoria básica

COMANDOS TRAYECTORIA BÁSICA $SQR[Vsqr,Fipunto_sqr,lado]# Campo Vsqr

Tipo int Fipunto_sqr int lado int

Unidad mm/s grados/s mm

Min

Max -1500 -360 -9999

1500 360 9999

$CIR[Vcir,radio_cir]# Campo Vcir radio_cir

Tipo int int

Unidad mm/s mm

Min

Max -1500 -9999

1500 9999

Al término de esta rutina el flujo del programa vuelve a la rutina principal.

5.4.3. Rutinas de ejecución de órdenes de movimiento. Control de posición y velocidad. Este conjunto de funciones realizan todas las etapas necesarias para convertir una orden de movimiento en una trayectoria real del robot. El proceso comienza con la llamada desde la función main a la función ejecutar_ORDEN_MOV. Se extrae de la cola de órdenes la siguiente orden de movimiento almacenada. Esta orden debe ser interpretada para caracterizar el tipo de movimiento al que corresponde (curvo general o de spin). La planificación del movimiento para cada lado de motores (izquierdo y derecho) consiste en general en dividir el recorrido en tres tramos correspondientes a: Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 143

Tramo 1: aceleración constante hasta alcanzar la velocidad consignada.

Tramo 2: mantenimiento de la velocidad de consigna.

Tramo 3: deceleración constante hasta la total parada en el instante en que se ha recorrido la longitud total de consigna.

Esto corresponde a un perfil de velocidad de consigna con forma de trapecio.

Ilustración 68. Segmentos del perfil de velocidades en el control de posición.

Si la longitud del recorrido no fuese suficiente como para que se alcance la velocidad de consigna antes de la mitad del recorrido, el perfil de velocidades planificado sería triangular. Una vez que se ha planificado el movimiento, comienza su ejecución y se habilitan dos fuentes de interrupción: una interrupción periódica cada período de muestreo, y la interrupción por conteo de pulsos de encóder: -

La rutina de interrupción periódica (generada por el desbordamiento del Timer 1) es la responsable de crear el perfil de velocidad base, según el tramo de trayectoria de velocidad en que se encuentre la rueda, de realizar los cálculos cinemáticos y ejecutar la rutina de control de velocidad, para obtener el valor de accionamiento de los motores y cargarlo en el registro que gobierna el tiempo activo de PWM.

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144 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Ilustración 69. Rutina de interrupción periódica por Timer 1

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 145

La rutina de interrupción por recorrido es la responsable de secuenciar los tramos del perfil de velocidades, y de determinar el fin del movimiento sin más retraso que la latencia en la atención de la propia interrupción.

Ilustración 70. Rutina de interrupción QEI por pulsos de encóder

Rutina de control de velocidad. Uno de los objetivos que se persiguen en el diseño de la plataforma móvil es que sea capaz de realizar con fidelidad las órdenes de movimiento que recibe. Las órdenes de velocidad lineal y angular del robot son descompuestas en órdenes de velocidad de giro para los motores. El seguimiento instantáneo de estas referencias afecta no sólo a las verdaderas velocidades lineal y angular del robot, sino lo que es más importante, a la propia trayectoria que describe. Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

146 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Por eso resulta de gran importancia que el desempeño sea bueno. Los resultados experimentales demuestran que ambos lados de ruedas no siguen del mismo modo una misma consigna de velocidad, como corresponde a la naturaleza no idéntica de los motores, a pequeños errores en la construcción de la mecánica, y otras razones. Esto podría compensarse en lazo abierto mediante calibración inicial, pero no los cambios que en la salida del sistema puedan ocasionar variaciones de los ajustes, de la carga, así como otras perturbaciones posibles.

5.4.3.1.

Algoritmo de control de velocidad

Para mejorar el desempeño en el movimiento se implementa un algoritmo de control de velocidad en lazo cerrado PID a cada bloque de ruedas (izquierdo y derecho). Este algoritmo es el más utilizado porque aunque no siempre sea el óptimo, resulta sencillo de comprender y ajustar.

Ilustración 71. Implementación del algoritmo PID.

El código del algoritmo puede implementarse directamente en lenguaje C, utilizando aritmética de coma flotante con las funciones de C estándar. Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 147

Sin embargo, la librería para dsp de Microchip proporciona funciones para implementar este algoritmo de control, escritas en lenguaje compilador, y que hacen uso extensivo de las instrucciones para DSP del microcontrolador, siendo mucho más eficientes en tiempo de ejecución. Estas funciones se proporcionan en el archivo pid.s y son llamadas desde el código en C. Para su utilización deben incluirse en el proyecto software los siguientes archivos de librería proporcionados por Microchip: -

libc-coff.a

libdsp-coff.a

libq-coff.a

libq-dsp-coff.a

Dichas funciones utilizan aritmética de coma fija en formato Q15 (Q1.15), en el que el rango de las variables es [-1, (2-15-1)], por lo que las variables enteras o de coma flotante de 16 bits deben escalarse a un valor dentro de ese rango previamente a su conversión a la representación Q15.

Ilustración 72. Representación de 16 bits en coma fija Q15

Las funciones proporcionadas en la librería se describen a continuación:

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148 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

extern void PIDCoeffCalc ( fractional * kCoeffs , tPID *controller ); /* Deriva los coeficientes ABC usando las ganacias del PID: Kp , Ki y Kd. Necesita un array que contenga los valores Kp , Ki y Kd en secuencia y el puntero a la estructura de datos tPID */ extern void PIDInit ( tPID * controller ); /* Limpia las variables de estado del PID y la salida de las muestras . Necesita el puntero a la estructura de datos tPID */ extern fractional * PID ( tPID * controller ); /* Calcula la accion de control PID . Necesita el puntero a la estructura de datos tPID */

Las funciones utilizan la estructura de datos definida en dsp.h como tPID . En esta estructura se pasan por referencia (mediante punteros) las variables básicas para el algoritmo. typedef struct { fractional * abcCoefficients ; /* Puntero a los coeficientes que se encuentran en el espacio de memoria X, estos coeficientes se derivan de los valores de las ganancias PID : Kp , Ki y Kd */ fractional * controlHistory ; /* Puntero a las 3 ultimas muestras de velocidad almacenadas en el espacio de memoria Y, la primera es la mas reciente; No, historial de error actual (duplicado) y anterior*/ fractional controlOutput ; /* Salida del regulador PID */ fractional measuredOutput ; /* Valor medido de la respuesta del sistema */ fractional controlReference ; /* Referencia del sistema */ } tPID ;

Microchip proporciona código de ejemplo para estas funciones en el documento CE019 [30]. Las variables cinemáticas de los bloques izquierdo y derecho calculadas por el programa del robot se encuentran agrupadas en estructuras de datos definidas como : Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 149

typedef struct { int posicion;

//Cuentas de QEI absolutas

int posicion_1;

//Cuentas anterior

float S;

//Recorrido mm

float V;

//Velocidad mmps

float V_1;

//Velocidad anterior

float A;

//Aceleracion

}cinematica;

Las variables cinemáticas del robot se almacenan en la estructura definida como: typedef struct { float V; float V_1; float Fipunto; float A; }cinematica_robot;

Elección del período de muestreo Para el control en tiempo discreto debe elegirse un período de muestreo que, según la regla de Nyquist debe corresponder a una frecuencia al menos doble de la más rápida del sistema que se desea controlar. En la práctica, se suele tomae tal que el transitorio tenga entre 4 y 8 puntos muestreados. Para un motor con reductora del tipo a los utilizados, el tiempo característico del polo rápido está en algunos milisegundos, mientras el del polo dominante suele estar en las decenas o cientos de milisegundos Tener en cuenta al polo rápido exigiría que el bucle de control tenga un período de muestreo del orden de los milisegundos. El microcontrolador tiene una velocidad Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

150 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

de procesamiento suficiente para poder llevarlo a cabo. Sin embargo, la resolución del encóder es baja, de sólo 64 cuentas por vuelta del motor. Algunos datos relativos al orden de magnitud de la resolución del encóder: -

64 cuentas por revolución del motor

1920 cuentas por revolución de la rueda

0,1875 º de rueda, equivalen a una distancia lineal de 0,1472mm

Como el cálculo de la velocidad se realiza por diferencia en el contador de pulsos en dos períodos sucesivos, la resolución en la velocidad calculada depende de las cuentas por período. Se realizan algunas valoraciones. Para un período de un milisegundo, se tiene: -

A máxima velocidad (350 rpm de reductora, 10500 rpm eje motor), esto son 11,2 cuentas ( redondeo por defecto a 11 cuentas). Se percibirían sólo 11 peldaños de velocidad, lo que da una resolución muy pequeña, y errores relativos de truncado muy importantes.

A velocidad de funcionamiento del 50% de la nominal, se tendrían 5,6 cuentas, truncadas a 5.

Luego con un período de muestreo de un milisegundo, la resolución resulta insuficiente. Por eso aunque se corra el riesgo de no controlar la dinámica rápida del motor, interesa imponer un tiempo de muestreo superior que permita más resolución en la medida de la velocidad. Se plantea un nuevo tiempo de muestreo de

25 milisegundos. Para este

período se tendrá: -

A máxima velocidad del motor (10500 rpm), 280 cuentas efectivas.

A velocidad del motor del 50% del máximo, 140 cuentas efectivas.

A una tensión del 10% de la máxima, por debajo de la cual el sistema no arranca, 28 cuentas.

Por tanto parece razonable para el objeto que se persigue. Esta hipótesis se valida experimentalmente, como se describe en el Capítulo 6.

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 151

6. Resultados Experimentales En este capítulo se exponen los resultados del proceso de diseño mecánico, electrónico y software, así como las pruebas de funcionamiento y algoritmos de control que se han implementado para mejorar el desempeño del robot.

6.1. Robot real vs Robot 3D Las ilustraciones siguientes permiten comparar los resultados con los diseños.

Ilustración 73. Vista lateral del modelo 3D del robot

Ilustración 74. Vista lateral del robot

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152 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Ilustración 75. Vista isométrica del robot

Ilustración 76. Imagen isométrica del modelo

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 153

Ilustración 77. Vista en planta del modelo 3D del robot.

Ilustración 78. Vista en planta del robot.

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

154 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

6.2. Validación del diseño electrónico y configuración de periféricos. 6.2.1.

Pruebas en placa de prototipos

Los sistemas eléctricos y electrónicos del robot fueron diseñados en base a la información proporcionada en las hojas de características de los distintos componentes. Tanto a nivel de placa electrónica como de interacción entre sistemas es conveniente validar los diseños asegurando el correcto funcionamiento, en una etapa previa a la fabricación de las placas finales, a tiempo de realizar modificaciones o ajustes que después serían más costosos. Para efectuar estos ensayos se recurre a la utilización de un equipo de prototipado “universal trainer” de Microsistems Engineering sobre el que se construyen los circuitos con los componentes que se utilizarán en la placa definitiva. Se pretende:

Configurar el oscilador del microcontrolador.

Configurar los puertos y comprobar el funcionamiento de las salidas en dos condiciones: funcionando como salida digital y como open drain.

Evaluar el funcionamiento de los periféricos PWM y QEI de control de motores.

Familiarizarse con las herramientas software, crear un proyecto, compilarlo y grabarlo mediante el dispositivo Pickit3.

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 155

Ilustración 79. Montaje de pruebas sobre maletín "universal trainer"

Problemas con las salidas PWM En el trabajo realizado con el los módulos PWM del microcontrolador se presenta una anomalía destacable: a pesar de que en la fase de simulación todo funciona correctamente, en la aplicación real los pines configurados para salidas de PWM, no responden. Tampoco algunos de los pines compartidos con PWM que han sido configurados como entrada/salida del puerto.: RB8, RB9, RB10, RB11. Tras consultar la situación en medios especializados sin éxito, se comprueba que lo que tienen en común dichos pines es que forman parte de un periférico: el JTAG (utilizado para depuración y test de circuitos), que es prioritario sobre el PWM (la prioridad puede comprobarse de izquierda a derecha en el esquema de pines). La solución pasa por deshabilitar este periférico en segundo plano desde la palabra de configuración del micro.

Interacción entre los sistemas Se modifica el montaje hardware para conectar con la etapa de potencia y probar el funcionamiento completo: dsPIC + etapa de potencia + motores. La señal PWM de salida de la etapa, en carga con el motor, resulta cuadrada casi perfecta, con perturbaciones transitorias en los flancos de subida/bajada.

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156 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Ilustración 80. Pulsos PWM para DC= 50% y distintos períodos

Se prueba el modo más adecuado de uso de las salidas PWM para conectar con la etapa de potencia: -

Como salida digital 0V-3V: a pesar de que la electrónica de la etapa de potencia utiliza nivel lógico alto a 5V, admite los 3V que proporciona el microcontrolador como salida digital a nivel alto del módulo PWM.:

Como salida en drenador abierto: Para conseguir niveles de tensión de 5V se plantea el uso de las salidas en modo open-drain conectando resistencias pull-up. En resultado no es satisfactorio para 10 Kohm pero sí para 5K, obteniéndose 3 voltios en la entrada de la etapa de potencia. El resultado óptimo se consigue para una resistencia equivalente de pull-up de 3,3K,

alcanzando

4V.

Tampoco debe

utilizarse una resistencia menor de 1,75 KOhmn pues a nivel bajo la patilla tendría que absorber más de los 4mA admitidos.

Pruebas con el módulo QEI Se configura uno de los dos módulos para la interacción con encóder del robot. La aplicación MPLAB no proporciona soporte para la simulación de este módulo, por lo que se hace directamente el montaje de los circuitos. La labor del módulo consiste básicamente en contar los flancos que recibe de las señales QEIxA y QEIxB generadas al girar el disco magnético del encóder. Gracias a un la lógica interna del módulo es capaz de determinar el sentido de giro, y con él, añadir o restar cuentas del registro QEIxCON.

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 157

Este registro puede ser leído y escrito, por lo que el programa de prueba trasladará el valor de uno de los bits del registro al puerto, monitorizándolo con un led. Se activan los motores y se aplican distintos valores de velocidad, comprobando que la frecuencia de parpadeo del led responde a las variaciones de velocidad de las ruedas. En cuanto al sentido de giro, se saca por una patilla el bit de sentido del módulo QEI, comprobando que efectivamente es capaz de seguir el sentido real.

Ilustración 81. Captura del video realizado con la prueba de módulos PWM y QEI

6.2.2.

Prueba de los sistemas del robot.

Las pruebas sobre placa de prototipos sirvieron para validar los circuitos y la configuración software de los periféricos del microcontrolador. Al pasarse a una placa de circuito impreso montada en la aplicación real, deben realizarse comprobaciones encaminados a establecer los efectos reales de los ajustes software: sentido de giro de los motores, coherencia con las lecturas de los encóder, funcionamiento de las comunicaciones, así como desempeño global del sistema. Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

158 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Una vez que los aspectos físicos del robot están conseguidos, comienza la tarea de desarrollar la aplicación de control del robot, que será la encargada de dotarlo de las funcionalidades deseadas.

Ilustración 82. Placa electrónica de control de tracción

6.3. Pruebas de movimiento. Ajuste de los algoritmos de control de posición y velocidad 6.3.1. Respuesta en lazo abierto. Caracterización del sistema Las primeras pruebas de movimiento del robot consisten en ordenar un desplazamiento con una acción de control fija sobre los motores, que cesa en el momento en que la interrupción que gestiona los pulsos de encóder indica que se ha alcanzado la distancia deseada.

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 159

En este instante, se da la orden de dejar de alimentar los motores.

Se observa que la respuesta ante una entrada escalón es enérgica, alcanzando una velocidad aparentemente estable en fracciones de segundo. En los momentos siguientes a que los motores dejen de ser alimentados, la inercia del móvil lo mantiene en movimiento después de haber alcanzado la referencia de posición, por lo que se incurre en un sobrepaso que es tanto mayor cuanto mayor fuera la velocidad del robot. En la figura siguiente se aprecia el montaje para la prueba y el sobrepaso de posición, de unos 20 cm sobre una orden

de un metro al 50% de velocidad

máxima.

Ilustración 83. Posición final de robot. Distancia: 1m. Velocidad 50%

Frenado regenerativo y con reverso de corriente La primera mejora consiste en introducir una rutina de frenado al final del movimiento. La rutina configura las conexiones de la etapa de potencia de modo que al frenar, los bornes de los motores quedan en cortocircuito entre ellos. Los motores se comportan como generadores suministrando corriente y por tanto aparece un par resistente que se opone al movimiento.

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160 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Se comprueba que el sobrepaso se hace pequeño, pero no nulo. El inconveniente del frenado regenerativo es que es menor cuanto menor va siendo la velocidad. Cuando el motor está próximo a parar su acción es pequeña. Una vuelta de tuerca consiste en un frenado activo: la rutina de frenado hace que los motores sean alimentados en reverso, a una tensión pequeña, pues es una estrategia agresiva. El resultado es un frenado casi inmediato del robot. Las ruedas literalmente se bloquean, y el sobrepaso se hace imperceptible, pero la brusquedad produce derrape en muchos casos.

Ilustración 84. Posición final. Distancia 1m.V: 50% frenado activo

En los casos descritos, se pone de manifiesto que debe mejorarse el desempeño del sistema, y para ello es necesario caracterizarlo. Los movimientos del robot son el resultado de la acción combinada de los motores a su izquierda y derecha. Se pretende en primer lugar conocer su respuesta ante entradas conocidas, para que el programa de control sea capaz de realizar el cálculo inverso al recibir órdenes de movimiento: qué acción de control hay que aplicar para conseguir un efecto deseado. Se diseña una batería de pruebas cuya mecánica es la siguiente: -

En pruebas sucesivas se dan valores crecientes a la excitación de los motores, igual para izquierda y derecha.

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 161

Se carga una consigna de distancia, igual para el lado izquierdo que para el

derecho. Esta consigna es tal que permita razonablemente

alcanzar una velocidad estacionaria. Al ser alcanzada provoca interrupción, y deja de alimentarse el motor correspondiente. -

Al término de un tiempo prefijado, siempre mayor que el del movimiento,

los

datos

cinemáticos

que

han

sido

registrados

periódicamente (cada 25ms) son enviados al hiperterminal, en formato CSV. -

Se repite la prueba, primero con las ruedas girando al aire y luego en carga (robot en movimiento). En el primer caso, la respuesta observada es sólo la del propio motor, las transmisiones y las ruedas, mientras en el segundo caso entra en juego la inercia del móvil y la interacción de los bloques mecánicos izquierdo y derecho, que se encuentran acoplados.

Por último, se representa gráficamente la respuesta temporal y se procesa la información obtenida

Se muestran a continuación algunos resultados representativos:

6.3.1.1.

Respuesta escalón con mecánicas en vacío

Respuesta lazo abierto. DC= 300 (15% Dcmax). Distancia = 500mm. Libre 160 140

100

VI_mmps 80

VD_mmps

60 40 20

4750 4875 5000

4375 4500 4625

3875 4000 4125 4250

3500 3625 3750

3000 3125 3250 3375

2500 2625 2750 2875

2125 2250 2375

1625 1750 1875 2000

1250 1375 1500

750 875 1000 1125

-20

375 500 625

0 0 125 250

Velocidad (mm/s)

120

tiempo (ms)

Ilustración 85. Respuesta en lazo abierto a escalón del 15% DCmax. Libre Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

162 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Respuesta lazo abierto. DC=500 (25% DCmax). Distancia= 500mm. Libre 400 350

Velocidad (mm/s)

300

VI mmps

250

VD mmps 200 150 100 50

3600

3450

3300

3150

3000

2850

2700

2550

2400

2250

2100

1950

1800

1650

1500

1350

1200

900

1050

750

600

450

300

150

tiempo (ms)

Ilustración 86. Respuesta en lazo abierto a escalón del 25% DCmax. Libre

Respuesta lazo abierto. DC= 750 (38% DCmax). Libre 700

Velocidad (mm/s)

600 500 400

VI_mmps 300

VD mmp

200 100

2375

2250

2125

2000

1875

1750

1625

1500

1375

1250

1125

1000

875

750

625

500

375

250

125

tiempo (ms)

Ilustración 87. Respuesta en lazo abierto a escalón del 38% DCmax. Libre

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 163

Respuesta lazo abierto DC=1000 (50% Dcmax). Distancia= 2000mm. Libre 900 800 700

Velocidad (mm/s)

600 500

VI mmps

400

VDmmps 300 200 100

3250

3125

3000

2875

2750

2625

2500

2375

2250

2125

2000

1875

1750

1625

1500

1375

1250

1125

875

1000

750

625

500

375

250

125

0 -100 tiempo (ms)

Ilustración 88. Respuesta en lazo abierto a escalón del 50% DCmax. Libre

Respuesta lazo abierto. DC= 1500 (75% Dcmax). Distancia= 2000 mm. Libre 1400 1200

800

VI_mmps

600

VD_mmps 400 200

2400

2325

2250

2175

2100

2025

1950

1875

1800

1725

1650

1575

1500

1425

1350

1275

1200

1125

975

900

825

750

675

600

525

450

375

300

225

1050

-200

150

0 0

Velocidad (mm/s)

1000

tiempo (ms)

Ilustración 89. Respuesta en lazao abierto a escalón del 75% DCmax. Libre

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

164 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Respuesta escalón. DC=2000 (100% DCmax). Distancia 2500 mm. Libre 1800 1600

Velocidad (mm/s)

1400 1200 1000

VI_mmps

800

VD_mmps

600 400 200 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000

tiempo (ms)

Ilustración 90. Respuesta en lazo abierto a escalón del 100% DCmax. Libre

6.3.1.2.

Respuesta escalón con mecánicas en carga

Respuesta lazo abierto. DC=300 (15% DCmax). Distancia 500mm. Carga 140

Velocidad (mm/s)

120

100

VD_mmps

VI_mmps

0 125 250 375 500 625 750 875 1000 1125 1250 1375 1500 1625 1750 1875 2000 2125 2250 2375 2500 2625 2750 2875 3000 3125 3250 3375 3500 3625 3750 3875 4000 4125 4250 4375 4500 4625 4750 4875 5000

tiempo (ms)

Ilustración 91. Respuesta en lazo abierto a escalón del 15% DCmax. En carga

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 165

Respuesta en lazo abierto DC= 500 (25% Dcmax). Distancia=500. Carga 350

Velocidad (mm/s)

300 250 200 VI mmps

150

VD mmps

100 50

0 125 250 375 500 625 750 875 1000 1125 1250 1375 1500 1625 1750 1875 2000 2125 2250 2375 2500 2625 2750 2875 3000 3125 3250 3375 3500 3625 3750 3875 4000 4125 4250 4375 4500 4625 4750 4875 5000

tiempo (ms)

Ilustración 92. Respuesta en lazo abierto a escalón del 25% DCmax. En carga

Respuesta lazo abierto. DC=750 (38% DCmax). Distancia= 1000mm. Carga 600

500

Velocidad (mm/s)

400

300

VI_mmps 200

VD_mmps

100

3000

2900

2800

2700

2600

2500

2400

2300

2200

2100

2000

1900

1800

1700

1600

1500

1400

1300

1200

1100

900

1000

800

700

600

500

400

300

200

100

-100 tiempo (ms)

Ilustración 93. Respuesta en lazo abierto a escalón del 38% DCmax. En carga

Respuesta lazo abierto. DC=1000 (50% Dcmax). Distancia = 2000 mm. Carga 800 700

500 400 VI_mmps

300

VD_mmps

200 100 0 -100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800

Velocidad mm/s

600

tiempo (ms)

Ilustración 94. Respuesta en lazo abierto a escalón del 50% DCmax. En carga

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

166 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Respuesta lazo abierto. DC= 1500 (75% Dcmax). Distancia=2000mm. Carga 1400

Velocidad (mm/s)

1200 1000 800 600

VI_mmps

400

VD_mmps

200

2875

2775

2675

2575

2475

2375

2275

2175

2075

1975

1875

1775

1675

1575

1475

1375

1275

1175

975

1075

875

775

675

575

475

375

275

175

tiempo (ms)

Ilustración 95. Respuesta en lazo abierto a escalón del 75% DCmax. En carga

Respuesta lazo abierto. DC= 2000 (100% Dcmax). Distancia= 2500mm. En carga 1800 1600

Velocidad (mm/s)

1400 1200 1000 800

VI mmps

600

VD mmps

400 200

2125

2000

1875

1750

1625

1500

1375

1250

1125

1000

875

750

625

500

375

250

-200

125

tiempo (ms)

Ilustración 96. Respuesta en lazo abierto a escalón del 100% de DCmax. En carga

6.3.1.3.

Conclusiones y caracterización en lazo abierto

El tratamiento de la información recogida consiste en primer lugar en valorar el tipo de respuesta transitoria y estacionaria de los distintos sistemas ( motores con ruedas al aire / motores en carga). La respuesta transitoria de las mecánicas en vacío es limpia y corresponde a un sistema rápido, de segundo orden o superior y sobreamortiguado, pues no presenta sobrepaso. La duración del transitorio se prolonga por más de 8 períodos de muestreo, por lo que la validez del período de muestreo de 25ms queda demostrada. Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 167

Con la mecánica en carga la señal se hace mucho más ruidosa y resulta difícil distinguir un perfil claro. En cuanto a la respuesta estacionaria, se comprueba que en vacío, la velocidad del bloque izquierdo es superior a la del bloque derecho. Esto puede tener su origen en los propios motores o en un montaje asimétrico de la mecánica, siendo algo previsible en aplicaciones de mundo real. La consecuencia es que siendo rigurosos, habría que encontrar un ajuste específico para el comando en lazo abierto de cada bloque de motores. En carga, sin embargo, el aumento de la inercia y el acoplamiento de las mecánicas hacen que su velocidad se regularice, aunque se siguen percibiendo perturbaciones periódicas. Aunque los sistemas no se corresponden con uno de primer orden, para comparar los resultados en los distintos ensayos, se ha extraído de cada uno de ellos la constante de tiempo equivalente de primer orden, como el tiempo para el cual la velocidad alcanza por primera vez el 66% del valor estacionario, y el tiempo para el estacionario será 4* T.

Además, se enfrenta el valor estimado de velocidad estacionaria para diferentes consignas ensayadas, obteniéndose la regresión lineal para los casos libre y en carga: Tabla 16. Resumen de pruebas. Escalón lazo abierto sin carga PRUEBA 1.1.1 2.1.1 3.1.1 4.1.1 5.1.1 6.1.1

DC 300 500 750 1000 1500 2000

Vmed Vi_inf Vd_inf T(66%) ms 114,5 122 107 75 317 326 308 75 543,5 561 526 75 771,5 799 744 75 1224 1260 1188 75 1623,5 1670 1577 75

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

168 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Velocidad estacionaria VS DC accionamiento 1800 1600 1400 1200 1000

Vmed Lineal (Vmed)

800 600 400 200 0

y = 0,8882x - 129,95 R2 = 0,9989 0

500

1000

1500

2000

2500

Ilustración 97. Velocidad estacionaria frente a accionamiento. Libre

Tabla 17. Resumen de pruebas. Escalón lazo abierto en carga PRUEBA 1.2.1 2.2.1 3.2.2 4.2.1 6.2.1 5.2.2 6.2.2

Vmed 300 500 750 1000 2000 1500 2000

Vi_inf

92 280 506 726,5 1519 1132 1503,5

Vd_inf

91 281 510 735 1519 1131 1494

93 279 502 718 1519 1133 1513

T(66%) ms 225 150 150 175 150 150 175

Velocidad estacionaria VS DC Accionamiento 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

y = 0,8269x - 128,17 R2 = 0,9986

Vmed Lineal

500

1000

1500

2000

2500

Ilustración 98. Velocidad estacionaria frente a accionamiento . En carga

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 169

6.3.2.

Ajuste de PID para control de velocidad

Gracias a la rutina de frenado activo se puede conseguir un sobrepaso casi nulo a velocidades moderadas. Sin embargo, la alimentación de los motores en modo escalón de velocidad castiga sus devanados, al aparecer elevadas corrientes de arranque, aumentando el riesgo de derrape y por tanto de fiabilidad en la maniobra. Por otro lado, ya se ha hablado de la diferencia en la respuesta real de los bloques de motores ante la misma excitación, y que podría abordarse con un ajuste específico en lazo abierto. Sin embargo, estas diferencias pueden no ser estáticas, y evolucionar en el tiempo. También pueden variar con la aplicación la carga o su distribución en el robot, que deban mover los motores. De la capacidad de controlar la velocidad de giro de las ruedas incluso en condiciones con cargas variables, depende la capacidad de generar trayectorias con fiabilidad. Por su parte, el control de posición es imprescindible, por ejemplo, para ejecutar con precisión los lances del juego en EUROBOT. Por todo ello se optó por incorporar un algoritmo de control de velocidad PID en el programa de control del robot. Puesto que esta es una aplicación habitual para un microcontrolador, Microchip proporciona información de referencia. En particular es de utilidad el documento AN532. “Servo Control of a DC-Brush Motor” [31]. El lazo de control para esta aplicación es el siguiente:

Ilustración 99. Lazo de control de velocidad. Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

170 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

El papel de conversión D/A puede atribuírsele al módulo PWM, pues genera una tensión que es variable en promedio. Se identifican los dos canales del encóder, el contador de pulsos y la realimentación al micro.

El ajuste del controlador PID consiste en encontrar valores para sus parámetros que proporcionen una buena respuesta en un rango de uso amplio. No se trata por tanto de encontrar un controlador óptimo para unas condiciones concretas. No se dispone de un modelo analítico del sistema, por lo que se recurre a pruebas empíricas para comprobar la validez del control propuesto.

Orden de magnitud de los parámetros del control En primer lugar se desea acotar los valores razonables de los parámetros Kp_x, Ki_x y Kd_x sobre los que trabajar, donde x indica que pueden establecerse valores distintos para los dos controles (como solución general, mismos para el control sobre las velocidades izquierda y derecha). La acción sobre los motores tiene la forma:

Vconsigna  Vbase  Vcontrol Ecuación 8. Composición de la consigna de velocidad

Donde: -

Vbase es la componente contínua de la señal, generada a partir de la regresión experimental de Velocidad real frente a accionamiento en lazo abierto. Sigue la forma del perfil de velocidad buscado.

Vcontrol es propiamente la componente de control, generada por el algoritmo PID, que se ocupa de compensar las desviaciones.

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 171

Profundizando en Vcontrol:

Vcontrol kt   kp  IE kt   ki  IE kt   kd  DE kt  Ecuación 9. Expresión de acción de control PID en términos de sus componentes

Que representa la contribución de los términos proporcional, integral y derivativo del control a la acción de control, donde: -

kp = Kp

ki = Ki*deltaT

kd= Kd/deltaT

Para una situación general de control, se pretende que las acciones de control alcancen valores razonables, teniendo como referencia el valor de la señal Vbase. Se encuentra un orden de magnitud sobre el que trabajar con los parámetros: Kp ≈ 1

Ki≈1

Kd≈0.01

A esto se añade la siguiente restricción por la implementación del algoritmo en el microcontrolador: { Kp, Ki, Kd } ≤9,99

Metodología de las pruebas Una vez establecida la comunicación con el robot, se le sitúa sobre la plataforma de pruebas. Desde el hiperterminal se ajusta el modo de funcionamiento (por defecto, control y registro de datos, activos) y se da valor a los parámetros de control. Se envía la orden de movimiento de prueba, que es ejecutada por el robot, a cuyo término se reciben los datos registrados, de los que destacan por su interés: -

Instante de lectura de los datos

Cuentas absolutas de los encóder izquierdo y derecho Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

172 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Velocidades base ( referencia)

Velocidad real leída

Evaluación del desempeño Para valorar la bondad del control, es necesario disponer de indicadores de desempeño que además simplifiquen la comparación entre distintos controles propuestos. Actualmente se encuentran implementados tres indicadores: 

Sobrepaso máximo: El sobrepaso en velocidad tiene como principal efecto no deseado que se alcanza la distancia consignada en un instante anterior al planeado, y para el que la velocidad de consigna planeada no es nula. Para incurrir en el menor sobrepaso posible, el control frena bruscamente el motor, incurriendo en acciones de control agresivas.



Error absoluto máximo: En general el error máximo suele tener lugar en instantes siguientes al arranque, cuando los motores deben vencer la inercia del sistema, así como las fricciones estáticas de los componentes.



Integral de error absoluto: Este indicador permite valorar el desempeño a lo largo de una trayectoria. Se define como: fin

IEA   | Vbase(t )  Vreal (t ) | t 0

Ecuación 10. Integral de error absoluto

Además de esta información capturada por el robot, y facilitada al final del recorrido, se debe tener en cuenta el comportamiento observado en el ensayo en cuanto a sobrepaso, deslizamiento de las ruedas, brusquedad de movimientos e impresión general.

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 173

Resultados de pruebas sobre consigna trapezoidal de velocidad: Se toma como orden de movimiento de referencia, para todas las pruebas siguientes: MOV[800,0,1500,0,0]

Correspondiente a un tramo recto de 1500 mm de longitud y una velocidad tangencial del robot de 800 mm/s (aproximadamente el 50% de su velocidad máxima).

Kp: 0; Ki: 0; Kd: 0 1000 900

Velocidad mmps

800 700 600

Vbase_i

500

Vbase_d

400

300

200 100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900

Ilustración 100. Prueba 1 de ajuste de parámetros PID.

MOV[800,0,1500,0,0] Kp: 1; Ki:0; Kd:0 1000

800

600

Vbase_d Control_i

200

Vcontrol_d Vi

2500

2400

2300

2200

2100

2000

1900

1800

1700

1600

1500

1400

1300

1200

1100

900

1000

800

700

600

500

400

300

200

100

Velocidad (mm/s)

Vbase_i 400

-200

-400

-600

Ilustración 101. Prueba 2 de ajuste de parámetros PID

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

174 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

MOV[800,0,1500,0,0] Kp:1.5; Ki:0; Kd:0 1000

800

600

Vbase_i Vbase_d

200

Control_i Vcontrol_d

0 0 75 150 225 300 375 450 525 600 675 750 825 900 975 1050 1125 1200 1275 1350 1425 1500 1575 1650 1725 1800 1875 1950 2025 2100 2175 2250 2325 2400 2475

Velocidad mmps

400

-200

Vi Vd

-400

-600

-800

Ilustración 102. Prueba 3 de ajuste de parámetros PID

MOV[800,0,1500,0,0] Kp:2; Ki:0; Kd:0 1000 800 600 Vbase_i Vbase_d 200

Control_i Vcontrol_d 2500

2300 2400

2100 2200

1900 2000

1700 1800

1500 1600

1300 1400

1100 1200

700 800

900 1000

-200

500 600

300 400

0 100 200

Velocidad (mm/s)

400

-400 -600 -800

Ilustración 103. Prueba 4 de ajuste de parámetros PID

Izcara Autillo, Vicente

Vi Vd

Resultados Experimentales 175

MOV[800,0,1500,0,0] Kp:2,5; Ki:0; Kd:0 1000 800 600 Vbase_i Vbase_d 200

Control_i Vcontrol_d

0 -200

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600

Velocidad mmps

400

Vi Vd

-400 -600 -800

Ilustración 104. Prueba 5 de ajuste de parámetros PID

MOV[800,0,1500,0,0] Kp:1; Ki:0.5; Kd:0 1000 800 600

Vbase_d Control_i

200

Vcontrol_d Vi

2500

2400

2300

2200

2100

2000

1900

1800

1700

1600

1500

1400

1300

1200

1100

900

800

700

600

500

400

300

1000

-200

200

100

Velocidad mmps

Vbase_i 400

-400 -600

Ilustración 105. Prueba 6 de ajuste de parámetros PID

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

176 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

MOV[800,0,1500,0,0] Kp:1,5; Ki:0,5; Kd:0 1000 800 600 Vbase_d Control_i

200

Vcontrol_d Vi

0 -200

0 75 150 225 300 375 450 525 600 675 750 825 900 975 1050 1125 1200 1275 1350 1425 1500 1575 1650 1725 1800 1875 1950 2025 2100 2175 2250 2325 2400 2475 2550

Velocidad mmps

Vbase_i 400

-400 -600

Ilustración 106. Prueba 7 de ajuste de parámetros PID

MOV[800,0,1500,0,0] Kp:1,5; Ki:0,9; Kd:0 1100 900 700

Vbase_i Vbase_d

300

Control_i Vcontrol_d

100

Vi -100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500

Velocidad mmps

500

-300 -500 -700

Ilustración 107. Prueba 8 de ajuste de parámetros PID

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 177

MOV[800,0,1500,0,0] Kp:1; Ki:2; Kd:0 900

Vbase_i

500

Vbase_d 300

Control_i Vcontrol_d

100 -100

Vi 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500

Velocidad mmps

700

-300 -500

Ilustración 108. Prueba 9 de ajuste de parámetros PID

MOV[800,0,1500,0,0] Kp:0; Ki:2; Kd:0 900

Vbase_i

500

Vbase_d Control_i 300

Vcontrol_d Vi

100

-100

Vd 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400

Velocidad mmps

700

-300

Ilustración 109. Prueba 10 de ajuste de parámetros PID

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

178 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

MOV[800,0,1500,0,0] Kp:1; Ki:0; Kd:0,1 1500

1000

Vbase_d Control_i Vcontrol_d Vi

-500

-1000

Ilustración 110. Prueba 11 de ajuste de parámetros PID

Izcara Autillo, Vicente

125

121

117

113

109

105

101

0 1

Velocidad mmps

Vbase_i 500

Resultados Experimentales 179

MOV[800,0,1500,0,0] Kp:1;Ki: 2; Kd:0.1 1500

1000

Vbase_i

0 0 75 150 225 300 375 450 525 600 675 750 825 900 975 1050 1125 1200 1275 1350 1425 1500 1575 1650 1725 1800 1875 1950 2025 2100 2175 2250 2325 2400 2475 2550

Velocidad mmps

500

Vbase_d VControl_i Vcontrol_d Vi

-500

-1000

-1500

-2000

Ilustración 111. Prueba 12 de ajuste de parámetros PID

MOV[800,0,1500,0,0] Kp:1; Ki=0; Kd:0 900

700

Vbase_i Vbase_d Control_i

300

Vcontrol_d Vi

100 2800

2700

2600

2500

2400

2300

2200

2100

2000

1900

1800

1700

1600

1500

1400

1300

1200

1100

900

1000

800

700

600

500

400

300

-100

200

Vd 100

Título del eje

500

-300

Ilustración 112. Prueba 13 de ajuste de parámetros PID Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

Prueba V P1 800 P2 800 P3 800 P4 800 P5 800 P6 800 P7 800 P8 800 P9 800 P10 800 P11 800 P12 800 P13 800

S Kp Ki Kd EposI_fin EposD_fin IEA_i 1500 0 0 0 -94 -122 344.46 1500 1 0 0 -7 -15 141.22 1500 1,5 0 0 -9 -9 124.58 1500 2 0 0 -6 -8 113.57 1500 2,5 0 0 -4 -6 95.31 1500 1 0,5 0 -9 -7 156.01 1500 1,5 0,5 0 -5 -4 134.63 1500 1,5 0,9 0 -8 -4 144.26 1500 1 2 0 -7 -8 150.26 1500 0 2 0 -14 -10 195.15 1500 1 0 0,1 -7 -12 165.81 1500 1 2 0,1 -11 -8 143.41 1500 1 0 0 -7 -6 185.07

IEA_d 343.99 143.92 118.44 108.71 102.09 148.68 125.99 128.38 134.54 190.99 151.66 140.60 181.70

max_sobrepaso_i -435.94 -471.28 -377.03 -312.22 135.49 -359.35 106.04 100.15 -318.11 -388.81 5.89 -453.61 -200.29

max_sobrepaso_d -506.63 -465.39 -353.46 -259.20 -41.24 53.02 123.71 129.60 -300.44 5.89 129.60 -418.26 41.24

EA_max_i EA_max_d 435.94 506.63 471.28 465.39 377.03 353.46 312.22 259.20 253.31 259.20 359.35 541.97 282.77 335.79 318.11 382.92 318.11 300.44 388.81 424.15 253.31 265.10 453.61 418.26 200.29 265.10

180 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Tabla 18. Resumen pruebas de ajuste parámetros PID

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 181

Observaciones La secuencia de pruebas se ha realizado teniendo en cuenta algunos de los métodos clásicos de ajuste de PID. En particular, según el método de Ziegler-Nichols, el proceso debe comenzar trabajando sólo con la ganancia proporcional, haciendo 0 el valor de Ki y de Kd. El valor de Ki se va aumentando, comprobando que para valores mayores de un valor crítico, el sistema se vuelve inestable. Para poder contrastar con una situación de referencia, se realiza la prueba 1, en la que el algoritmo de control está desactivado, y por tanto la salida del sistema es la respuesta en lazo abierto ante una consigna trapezoidal.

Ganancia proporcional Entre las pruebas 2 a 5 se va aumentando el valor de la ganancia a 1, 1’5, 2 y 2’5 respectivamente. Se aprecia claramente que va mejorando el desempeño en todos los indicadores, pero a costa de acciones de control crecientes en agresividad. Ya para Kp=2’5, se aprecia que la acción de control al cambiar bruscamente la consigna, alcanza valores de saturación. Para el valor de Kp=3, el sistema se vuelve críticamente estable: en el entorno del equilibrio, la acción de control hace que el robot se mueva bruscamente hacia delante y hacia atrás, sin llegar a tener un avance neto, y no llega a completar el recorrido consignado.

Ganancia integral Para permitir margen de acción en el control a la acción integral se mantiene un valor moderado de acción integral (Kp=1) y se establece Ki=0’5, en la prueba 6. No se consigue una mejora tangible del desempeño por lo que se van alternando aumentos en Kp y aumentos en Kd en las pruebas siguientes. A partir de la prueba 7 se aprecia una mejora en el seguimiento de las rampas, que sin la acción integral no se conseguía.

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

182 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

La prueba 9, con Kp=1 y Kd=2 ofrece un desempeño muy equilibrado: el seguimiento de la rampa de aceleración es el mejor conseguido, pues aunque el sistema empieza por debajo, es capaz de alcanzar la consigna al final del tramo. Sin embargo la acción integral por el error acumulado produce sobrepaso en el tramo a velocidad constante. Al llegar el tramo de deceleración, se consigue idénticamente un buen seguimiento, apreciándose que para el momento de la detención, la velocidad de los motores es muy cercana a la de la consigna de velocidad, y el cambio brusco en la consigna (orden de parada, Vbase=0), no produce una acción de control correctora demasiado violenta. Este es un buen punto de partida para incorporar la acción derivativa. Como curiosidad, se hace un control puramente integral en la prueba 10.

Ganancia derivativa A partir de la prueba 11 se trabaja la acción derivativa. Para percibir la importancia de su efecto se deshabilita la acción integral y se deja un valor moderado de Kp=1. Se fija Kd=0’1. Aun siendo un valor pequeño, se observa que contribuye decididamente en el control de la velocidad derecha, produciendo un perfil irregular durante toda la trayectoria, para finalmente provocar valores de salida en saturación ante el cambio brusco de consigna que se produce en la detención. Recuperando los resultados para lazo abierto, la importante contribución sólo en el lado derecho puede corresponderse a que su salida es de forma natural más oscilante. Tras varios ajustes en el valor de Kd no se consigue uno en el que su aportación mejore el desempeño, y puesto que sí se introduce el riesgo de amplificar perturbaciones, se desestima utilizar la acción de control derivativa.

Solución adoptada De entre todas las opciones que se han estudiado, el mejor ajuste encontrado es el de la prueba 9.

Izcara Autillo, Vicente

Resultados Experimentales 183

Para poner de manifiesto la mejora que produce en el desempeño, se muestran en una misma gráfica los resultados de la prueba 0 y el de la 9:

Comparación ajuste entre control apagado y (Kp=1; Ki=2;Kd=0) 1000 900 800

Velocidad

700 Vbase_i

600

Vbase_d 500

Vi_LA Vd_LA

400

Vi_PI

300

Vd_PI 200 100

2850

2775

2700

2625

2550

2475

2400

2325

2250

2175

2100

2025

1950

1875

1800

1725

1650

1575

1500

1425

1350

1275

1200

1125

975

1050

900

825

750

675

600

525

450

375

300

225

150

Ilustración 113. Comparación entre gobierno en lazo abierto y ajuste del control propuesto

Resulta evidente al comparar las curvas de velocidad que el seguimiento de la referencia es mucho mejor con la intervención del control propuesto. Comparando los indicadores de desempeño que proporciona el robot se tiene:

IEA_i Lazo abierto 344.46 Kp=1; Ki=2 150.26

IEA_d 343.99 134.54

max_sobrepaso_i -435.94 -318.11

max_sobrepaso_d -506.63 -300.44

EA_max_i EA_max_d 435.94 506.63 318.11 300.44

Siendo todos favorables al control propuesto.

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

184 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Izcara Autillo, Vicente

Estudio Económico 185

7. Estudio Económico En el presente capítulo se pretende dar cuenta de los recursos que han sido necesarios para llevarlo a cabo. Se distingue entre recursos materiales (medidos en euros) y recursos humanos (horas de trabajo. Para llegar a unos costes homogéneos se valorarán los recursos humanos a precio de mercado. En la estructura de costes se distingue entre directos e indirectos, que a su vez se clasifican por su origen. Finalmente se agregan los costes para mostrar un presupuesto total.

7.1. Costes directos Los costes directos son aquellos imputables de manera inmediata a los equipos desarrollados y entregables generados. A su vez pueden clasificarse por el origen del coste.

Costes en materias primas y componentes

7.1.1.

Tabla 19. Costes del material electrónico (euros) MATERIAL ELECTRÓNICO Descripción Placa potencia dual VNH2SP30 Adaptador USB-serie Kit 2 módulos inalámbricos WIXEL Placa fotosensible positiva FR4 Micro dsPIC33FJ64MC802 Componentes Monitor de tensión LIPO

Referencia 708 391 1338

Varios

Proveedor Pololu Pololu Pololu Electrosón Sagitrón Farnell Hobbyking

Coste Cantidad Coste total unitario 40,00 1 40,00 12,00 1 12,00 32,27 1 32,27 16,00 2 32,00 3,20 3 9,60 18,60 1 18,60 4,60 1 4,60 Total 149,07

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186 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Tabla 20. Coste de los componentes mecánicos del robot (euros) MATERIAL PARA ESTRUCTURA Y COMPONENTES MECÁNICOS Descripción

Referencia

Piezas ALU corte láser Plexiglás tapa electrónica Perfil ALU 15*15 Perfil ALU 10*15 Casquillo polea dentada 10Z Correa dentada 40 Z Rodamientos 6x19x6 ZZ Barra acero eje 6mm Juego anillos de presión D 6mm Tornillería M3 Tornillería M4 Par casquillos adaptador ruedas Par de ruedas 90x10

226106 226050 214469 237086 225436

1083

Proveedor Láser Ebro Leroy Merlin Lerol Merlin Leroy Merlin Conrad DE Conrad DE Conrad DE Conrad DE Conrad DE Ferr. Ortiz Ferr. Ortiz Pololu Pololu

Coste unitario

Cantidad Coste total

8,00 3,20 2,85 6,95 1,95 1,50 3,95 4,95 0,03 0,04 6,10 7,70

1 1 2 2 8 5 10 1 1 200 120 3 3 Total

95,00 8,00 6,40 5,70 55,60 9,75 15,00 3,95 4,95 6,00 4,80 18,30 23,10 256,55

Tabla 21. Coste de los materiales eléctricos del robot MATERIAL ELÉCTRICO Descripción

Referencia

Motor 37D 291 encoder 64CPR Motor 37D291 Batería LI-Po 2S 1200mAh Batería Li-Po 3S 4000mAh Interruptor DPDT Portafusibles Cableado Ventilador ABM PAPST Interruptor palanca SPST Terminales y componentes

1443 1103

Varios

Proveedor Pololu Pololu Conrad Hobbyking Electroson Hispanofil CSV Electroson Electrosón Varios

Coste Cantidad Coste total unitario 19,19 3 57,57 30,73 3 92,19 12,20 1 12,20 26,00 1 26,00 2,30 1 2,30 1,60 2 3,20 1,20 3 3,60 11,60 1 11,60 1,30 3 3,90 7,70 Total 220,26

Tabla 22. Resumen de costes en materias primas y componentes (euros) COSTES EN MATERIALES DEL ROBOT Elementos electrónicos Elementos mecánicos Elementos eléctricos Suma IVA 18% Total

Izcara Autillo, Vicente

149,07 256,55 220,26 625,88 112,6584 738,5384

Estudio Económico 187

7.1.2. Costes de amortización de equipos y herramientas. Los costes de amortización son una figura contable para contemplar el deterioro producido por el uso o envejecimiento de equipos y herramientas. Tabla 23. Costes de amortización

Descripción Amortización herramientas Equipos de medida Ordenador portátil

7.1.3.

Coste unitario 1,5 /h 0,75/h 0,20/h

Unidades

Coste total

20 50 960 Total

30 37,5 192 259,5

Costes de software y licencias. Tabla 24. Costes por licencias informáticas Descripción

Windows XP Solid Edge ST2 Autocad 2005 Proteus 7 Dropbox Microsoft Office 2003 Adobe Photoshop 7.0 MPLAB 8.83

7.1.4.

Coste unitario Amortizado 2 0,53 Licencia UVA Gratis Amortizado 49/mes 0,75/h

Unidades 20 160 100

1 50 Total

Coste total 30 320 53 0 0 0 49 37,5 489,5

Costes por mano de obra empleada

Las horas de mano de obra se presentan desagregadas por paquetes de trabajo, de modo que sirva también como registro del esfuerzo realizado en cada grupo de tareas. Para la conversión de horas a euros se supone que el diseño, construcción y montaje de los sistemas, así como su programación y validación ha sido realizado por un ingeniero. Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

188 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

En primer lugar debe calcularse el coste por hora de ingeniero. Se supone el año laboral de 1760 horas. Como base salarial, 27000 euros brutos/año, que resulta coherente con los convenios colectivos sectoriales. Sobre esto debe cargarse la seguridad social a cargo de la empresa, con lo que se obtiene el coste total para la empresa. Tabla 25. Coste por hora de ingeniero Concepto Salario bruto anual Seguridad Social a cargo de la empresa (29,7%) Coste anual por empleado

Importe 27000 8019 35019

Horas laborables/año

1760

Coste por hora

19,90

En cuanto al esfuerzo de los paquetes de trabajo, se tiene el siguiente registro de duración de actividades:

Izcara Autillo, Vicente

Estudio Económico 189

Tabla 26. Esfuerzo y coste de M.O. asociados al robot TAREA INICIACIÓN Comunicación con interesados Reunión kick-off con tutor DISEÑO Arquitectura robótica Diseño electrónico Placa control tracción Placa accionamientos Pruebas en placa de prototipos Gestión adquisiciones electrónica Mecánica Gestión de adquisiciones mecánica Diseño mecánico y modelado 3D CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE Electrónica Placa de accionamientos y de control tracción Fabricación PCB Montaje de componentes Comprobaciones Placa de potencia Montaje y validación Conexiones conjunto Mecánica Bloques motor Estructura y bastidor Montaje conjunto Programación Herramientas de lenguaje Configuración de los módulos Pruebas Integración en VICBOT SEGUIMIENTO Y CONTROL Documentación de los trabajos Reuniones con el tutor CIERRE DEL PROYECTO Redaccion de la memoria Preparación presentación

Esfuerzo (horas) 10 horas 2 horas 48 horas 64 horas 40 horas 30 horas 24 horas 24 horas 200 horas

12 horas 24 horas 16 horas 4 horas 24 horas 24 horas 32 horas 16 horas 30 horas 130 horas 32 horas 24 horas 16 horas 4 horas 120 horas 16 horas

Total 966 horas 6,6 meses

Coste MO ingeniero 199 39,8 0 955,2 0 1273,6 796 597 477,6 0 477,6 3980 0 0 0 238,8 477,6 318,4 0 79,6 477,6 0 477,6 636,8 318,4 0 597 2587 636,8 477,6 0 318,4 79,6 0 2388 318,4 19223,4

Se han dedicado al proyecto un total de 966 horas, que distribuidas sobre una jornada laboral de 40 horas semanales con un único ingeniero para su ejecución, dan lugar a una duración de 6 meses y 12 días de trabajo.

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190 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

7.2. Costes indirectos Se incluyen como indirectos aquellos costes que no pueden imputarse directamente a la fabricación del robot.

Tabla 27. Costes indirectos y generales Concepto

Importe

Gastos generales de oficina Gastos generales laboratorio Consumos y suministros Gastos de envío Transporte y desplazamientos

72 26 160 65 11 334,00

7.3. Costes totales del proyecto Tabla 28. Costes totales del proyecto Concepto Costes materiales Costes amortizaciones y herramientas Costes mano de obra Costes en permisos y licencias Total costes directos Costes indirectos Total costes del proyecto

Parciales

Totales

738,5384 259,5 19223,4 489,5 20710,9384 334,00 21044,94

El coste total de la ejecución del proyecto es de veintiún mil cuarenta y cuatro con noventa y cuatro euros.

Izcara Autillo, Vicente

Conclusiones y Trabajos Futuros 191

8. Conclusiones y Trabajos Futuros En el presente capítulo se deja constancia de las conclusiones a la realización del proyecto y se apunta hacia futuras líneas de trabajo como continuación de éste o profundizando en vías abiertas que pueden resultar de interés. El comienzo de este trabajo se encuentra en el deseo de participar en la competición de robótica EUROBOT, que bajo un pretexto lúdico, plantea un reto técnico muy interesante para un estudiante de ingeniería: el diseño y construcción de robots móviles. El reto es exigente, y se decidió abordarlo de forma modular, de modo que fuera abarcable y permitiera su continuación con nuevos proyectos. Desde la lectura de las bases de la competición, se hizo un planteamiento general del robot, encaminado a dar soluciones a las principales tareas que el robot tendrá que afrontar. A la luz de las teorías clásicas de la robótica, se propone combinar aspectos de arquitecturas deliberativas, tales como la planificación de estrategias o de trayectorias, con otros de arquitecturas reactivas, tales como la respuesta a obstáculos o a eventos no esperados. Una vez creado un marco general, se aborda el diseño de la plataforma móvil para el robot. De entre las posibilidades que hay para vehículos con ruedas, se ha apostado por la tracción “skid steer” con dos ruedas motrices por lado. Se valoró la estabilidad que da al conjunto y su versatilidad, siendo conscientes de que la aplicación de un modelo cinemático diferencial es formalmente inconsistente, pues la hipótesis de no deslizamiento de las ruedas no se cumple. En el diseño de la mecánica del robot se buscó una solución formada por bloques motores robustos y flexibles. El hecho de que el motor, las transmisiones y el bastidor formen bloques intercambiables, facilita su recolocación o sustitución, y junto a la posibilidad de inclinar los bloques, lo hace muy adaptable a las necesidades de espacio que pueden surgir. El eje de las ruedas descansa sobre rodamientos de bolas, que unido al uso de motores potentes confiere a la plataforma una gran capacidad de carga.

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192 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Para lidiar con la complejidad del diseño mecánico, y posteriormente la integración de todos los sistemas del robot, se ha recurrido al modelado en tres dimensiones con el software comercial Solid Edge, que ha resultado una herramienta muy poderosa, facilitando

el diseño y la identificación de errores,

permitiendo probar distintas alternativas, elaborar automáticamente listas de piezas o archivos para fabricación asistida por ordenador, y otras ventajas no estrictamente técnicas tales como la elaboración de material multimedia con el que presentar de forma atractiva el proyecto. El paso de los diseños a las piezas físicas ha exigido fabricar algunas en corte por láser, y adquirir otras, siendo necesario recurrir a proveedores por internet al no encontrarse en establecimientos locales a precios asumibles. En cuanto al diseño electrónico, se han diseñado dos tarjetas: una para el control de tracción, basada en microcontrolador, y otra para el accionamiento de los circuitos eléctricos. Se ha utilizado el software Proteus, que ha permitido tanto realizar los esquemas como el diseño de la placa de circuito impreso. La construcción de las placas de circuito impreso se ha realizado por insolado y ataque químico utilizando medios caseros, resultando ser mucho más costoso de lo esperado, tanto en términos económicos como de tiempo dedicado, hasta lograr un acabado aceptable. El coste de encargar la fabricación por medios industriales parece estar justificado. Como núcleo de la placa de control de tracción se ha seleccionado un potente microcontrolador dsPIC33 de Microchip. Incorpora dos periféricos muy útiles para aplicaciones de control de motores: interfaz para encóder de cuadratura y generador de señales PWM. El primero de ellos permite conseguir diseños muy compactos y elimina la necesidad de gestionar el conteo de pulsos por software. En cuanto al segundo, permite generar señales que, amplificadas por la etapa de potencia, permiten la regulación de velocidad del motor. Su utilización combinada es la base de los algoritmos de control en lazo cerrado. El diseño software comienza con la configuración de los periféricos del micro. Para hacerlo es necesario bajar hasta el nivel físico, y ni siquiera el uso de un lenguaje de alto nivel evita tener que conocer el dsPIC en detalle. Esto es un importante obstáculo para el desarrollo de aplicaciones, por lo que se han configurado y probado individualmente los periféricos de interés para aplicaciones de control de motores, se han desarrollado funciones para las principales rutinas de Izcara Autillo, Vicente

Conclusiones y Trabajos Futuros 193

movimiento y se ha integrado el código generado en el proyecto software Vicbot.mcp. Como conclusión, gracias a la labor realizada en este proyecto, se ha creado un punto de partida para el desarrollo de aplicaciones que exigen movimiento que resulta cómodo y que permite obtener resultados con inmediatez. El desarrollador no tiene que preocuparse de los sistemas físicos del robot, que ya han sido convenientemente comprobados, ni de conocer los entresijos del microcontrolador que gobierna el movimiento. Dispone de una serie de funciones para ordenar el movimiento y puede por tanto centrar sus esfuerzos en otras tareas. En cuanto a futuras líneas de trabajo, este proyecto tiene continuación natural en el desarrollo de los sistemas correspondientes a arquitectura de más alto nivel según se describió y planificó en el Capítulo 2: niveles deliberativo y nivel secuencial, necesarios para realizar las tareas propias de la competición Eurobot,. También pueden desarrollarse otros sistemas de bajo nivel complementarios a los que se han creado en este trabajo, y que pueden incorporarse a la plataforma, tales como actuadores específicos para manipulación de objetos, brazos robóticos, sistemas de sensores, de comunicación o de posicionamiento por balizas, y otras muchas posibilidades. Otra posibilidad es la implantación de los sistemas o bloques que forman este robot, de forma independiente en otros desarrollos. El área de mejoras siempre ofrece multitud de opciones. Pueden desarrollarse nuevos proyectos software con librerías de funciones. Se puede utilizar la plataforma para experimentación con algoritmos de control, como soporte de aplicaciones distintas de Eurobot, y un gran número de posibilidades.

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194 Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Izcara Autillo, Vicente

Anexos 195

ANEXOS

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Código fuente 197

CÓDIGO FUENTE “Vicbot.h” /******************************************************************************/ /*

VicBot.h

/* DEFINICIONES GLOBALES */ /******************************************************************************/ /* Define macros //#define Nop() {__asm__ volatile ("nop");}

/*---- TIEMPOS Y FRECUENCIAS ----*/ #define FCY 40000000 //40MHz #define FCYPWM 10000 //10KHz #define BAUDRATE 9600 #define BRGVAL ((FCY/BAUDRATE)/16)-1 // Generador del Baud rate #define Delta_t 0.025 #define Inv_Delta_t 40 /*---- DIMENSIONES GEOMÉTRICAS Y CONVERSIONES ----*/ #define Rrueda_mm 45 #define Drueda_mm 90 #define PI 3.14 #define CPR 64 #define REDUCCION 30 #define b 300 #define b_med 150 #define RADIANESporGRADOporBMED 2.6175 // #define FACTOR_PULSOS_POR_MM (CPR*REDUCCION/(2*PI*Rrueda_mm)) #define FACTOR_PULSOS_POR_MM 6.79 //Cuidado, habrá que truncar. #define FACTOR_PULSOS_POR_METRO 6794 #define FACTOR_DESLIZAMIENTO_defecto 1.15 //1.11//Teoría inverso de:0.949 //Sconsigna=Sorden/cos(arctg(b_med/a_med)) /***************** PWM ********************************************************/ #define PWM1A LATBbits.LATB9 //Canal A PWM1 #define PWM1B LATBbits.LATB11 //Canal B PWM1 #define PWM2A LATBbits.LATB6 //Canal A PWM2 #define PWM2B LATBbits.LATB7 //Canal B PWM2 #define INTERRUPTS_POR_CICLO_CONTROL 31 //Cada - interrupciones PWM se ejecuta el //bucle control cada 0,1ms x 16 (postscalPWM) x 31=49,6ms #define DCI P1DC3 // Duty cycle lado izquierdo #define DCD P2DC1 // Duty cycle lado derecho #define HABILITAR_PWM_I() P1TCONbits.PTEN=1 //Habilita base de tiempos módulo PWM1 #define HABILITAR_PWM_D() P2TCONbits.PTEN=1 //Habilita base de tiempos módulo PWM2 #define #define #define (1,2,4,8,16) #define

PRESCALER_PWM1 4 PRESCALER_PWM2 4 POSTSCALER_PWM1 1

//Para calcular PxTPER para PWM_FCY //Interrup

una

cada

tantos

pulsos

PWM

POSTSCALER_PWM2 1

/*************** QEI *********************************************************/ #define HABILITAR_QEI1() QEI1CONbits.QEIM=7 //modo x4 #define HABILITAR_QEI2() QEI2CONbits.QEIM=7 //modo x4

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

198

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT // // // //

POS1CNT POS2CNT MAX1CNT MAX2CNT

/***************** UART1 ****************************************************/ #define HABILITAR_UART1() U1MODEbits.UARTEN=1; // Habilita UART1 #define HABILITAR_TX1() U1STAbits.UTXEN=1; // Habilita la transmisión por TX1 #define bufferTXlleno() U1STAbits.UTXBF //1 si el buffer TX lleno #define bufferTXvacio() U1STAbits.TRMT //1 si buffer TX y registro de salida vacíos // U1TXREG Registro dato para enviar // U1RXREG // Registro donde se lee el dato recibido /**************** TIMER1 ******************************************************/ #define ENCENDER_TIMER1() T1CONbits.TON=1; #define APAGAR_TIMER1() T1CONbits.TON=0; /**************** INTERRUPCIONES **********************************************/ #define HABILITAR_INTERRUP_TMR1() IEC0bits.T1IE =1 #define HABILITAR_INTERRUP_QEI1() IEC3bits.QEI1IE=1 // interrup por POS1CNT==MAX1CNT #define HABILITAR_INTERRUP_QEI2() IEC4bits.QEI2IE=1 // interrup por POS2CNT==MAX2CNT #define HABILITAR_INTERRUP_RX1() IEC0bits.U1RXIE =1 #define HABILITAR_INTERRUP_TX1() IEC0bits.U1TXIE =1 //#define HABILITAR_INTERRUP_PWM1() IEC3bits.PWM1IE=1 //#define HABILITAR_INTERRUP_PWM2() IEC4bits.PWM2IE=1 #define DESHABILITAR_INTERRUP_QEI1() IEC3bits.QEI1IE=0 #define DESHABILITAR_INTERRUP_QEI2() IEC4bits.QEI2IE=0 /**************** REGISTROS DEL ROBOT *****************************************/ #define MAX_ELEM_COLA_MOV 10 #define MAX_LONG_MENSAJE 40

//Se devuelve error si más órdenes //Tamaño máximo de un mensaje de comandos

/**************** GESTIÓN MENSAJES ********************************************/ #define long_max 6

//Longitud en caracteres decimales de Vorden,etc.. // 5 útiles y uno para \0 /***************RANGOS DE VELOCIDADES *****************************************/ #define #define #define #define #define #define #define #define #define #define #define #define #define #define

VMIN_pos 160 //mm/s a que equivale el DCmin, de regresión () VMIN_neg -160 //Supongo que zona muerta positiva y negativa iguales DC_min 150 //DC que en regresión () corresponde a V=0 ACELERACION_DC 25 //Udc/ciclo: equivalencias 1000 dc/s ACELERACION_mmps_defecto 850.64 //mm/s2 Recordar: 0.8506mm/udc ACELERACION_mmpc_defecto 34.0256 //mm/ciclo. TRAPECIO 1 TRIANGULO 2 ACELERANDO 1 PLANO 2 DECELERANDO 3 PARADA 0 V_orden_MAX 1500 //Corresponde a poco menos que DC= 2000 Fipunto_orden_MAX 360 //Arbitrario. Razonable.

/**************** PARAMETROS

DE REGRESIONES ******************************/

// (1) Vmmps=F(DC)= 0.85*DC-127,4 #define A1 0.95// CALCULADA: 0.85 #define B1 -127.4// CALCULADA:-127.4

Izcara Autillo, Vicente

Código fuente 199 // (2) DC entre [0,2000]=F(V_orden)=V_orden*1,1756+149,79 // Fórmula extraída de (1) #define A2 1.05// CALCULADA: 1.1756 #define B2 133//149.79 /****************

PARAMETROS DE PID

#define Kp_i_defecto 1 #define Ki_i_defecto 0 #define Kd_i_defecto 0

//10 //0.01

#define Kp_d_defecto 1 #define Ki_d_defecto 0 #define Kd_d_defecto 0

//10 //0.01

**************************************/

#define escala_K 10 //kp, ki,kd menor que 10 o mayor que 0,031 #define escala_E 2000 //Mayor que V_orden_MAX

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

200

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

“Config_perif.c”

/*-------------------------------------------------------------------------------*/ /*

Archivo: Config_perif.c CONFIGURACION DE PERIFÉRICOS

/*------------------------------------------------------------------------------*/ /*

Realizado por Vicente Izcara Autillo

Fecha última revisión 21-11-2012 Descripción: Se recogen todas las funciones verificadas para un proyecto genérico Debe incluirse este archivo como archivo de código fuente en el proyecto. Deben copiarse la siguiente declaración de funciones en en archivo con main(): void void void void void void

InitTIMER1(void) OSCconfig() InitQEI(void) InitUART1(void) IOConfig() InitPWM(void)

Este archivo utiliza los siguientes include: #define #define #define #define

FCY 40000000 //40MHz FCYPWM 10000 //10KHz BAUDRATE 9600 BRGVAL ((FCY/BAUDRATE)/16)-1 // Generador del Baud rate

*/ #include <p33fj64mc802.h> #include "VicBot.h" //#define FCY 40000000 #include <libpic30.h> #include <stdio.h> //#include <libq.h> /*

//dispositivo utilizado //Definiciones generales //Para el printf //Librería matemática en punto fijo Q15 y Q16

MACROS

//#define Nop() {__asm__ volatile ("nop");} /* GLOBALES */ /*********************

INICIALIZACIÓN TIMER 1

void InitTIMER1(void) { TMR1 = 0; T1CONbits.TON = T1CONbits.TSIDL T1CONbits.TGATE T1CONbits.TCS = T1CONbits.TCKPS PR1 = 15625; prescaler de 64 IFS0bits.T1IF = IEC0bits.T1IE = IPC0bits.T1IP = TMR1

Izcara Autillo, Vicente

***************************/

0; = 0; = 0; 0; = 2;

// // // // // //

Reseteo contador del timer Apagando el timer 1 El modulo continua durante modo sleep Gated timer accumulation disabled se usa Tcy como fuente de reloj Tcy / 64 as input clock // Período de interrupción de 25ms con

0; 1; 5;

// Bajar bandera de interrupción por TMR1 // Habilitando interrupcion por TMR1 // Nivel de prioridad para interrupción

Código fuente 201 //T1CONbits.TON = 1; return;

// Encendiendo TMR1

} /************************ CONFIGURACION OSCILADOR *****************************/ void OSCconfig() { // CONFIGURATION WORD: registros FOSCSEL y FOSC. Tipo de oscilador // SFR: Configuracion y ajuste /*OSCON*/ // Bit 6 para LOCK, read only.PLL enganchó bien /*CLKDIV*/ CLKDIVbits.FRCDIV=0; CLKDIVbits.PLLPOST=0; CLKDIVbits.PLLPRE=1; /*PLLFBD*/ PLLFBDbits.PLLDIV=63; /*OSCTUN*/ OSCTUNbits.TUN=0;

//'000'b Divisor en 1:1 //'00'b N2=2 //'00001'b N1=3 //'000111111'b //'000000'b

M=65 cargando un 63 7,37 MHz+- 0%

while(OSCCONbits.LOCK!= 1) {}; // Wait for PLL to lock return; } /************************ CONFIGURACION MODULOS QEI ************************/ void InitQEI(void) { // REMAPEO DE LAS ENTRADAS AL PERIFÉRICO // REMAPEO DE BIT DE SENTIDO HACIA EL PUERTO // Habilitamos escritura sobre registros RPINRx y RPORX. __builtin_write_OSCCONL(OSCCON & 0xBF); //UNLOCK:Respeta OSCCON salvo bit6 a 0. RPINR14bits.QEA1R=12; RPINR14bits.QEB1R=13; RPOR2bits.RP4R=0b11010;

//RP12 para QEI1A //RP13 para QEI1B //RP4 para UPDN1

RPINR16bits.QEA2R=14; //RP14 para QEI2A RPINR16bits.QEB2R=15; //RP15 para QEI2B RPOR2bits.RP5R=0b11011; //RP5 para UPDN2 // Si fuera necesario, aquí remapeo de UART1 // Bloqueamos escritura sobre registros RPINRx y RPORX. __builtin_write_OSCCONL(OSCCON |0x40); //LOCK: Respeta OSCCON salbo bit6 a 1. // OJO PORQUE ESAS PATILLAS SON TAMBIÉN DEL MÓDULO PWM; Asignadas a Puerto en FUSES /***** QEI1 *****/ QEI1CONbits.QEIM = 0; // Disable QEI Module QEI1CONbits.CNTERR = 0; // Clear any count errors QEI1CONbits.QEISIDL = 0; // Continue operation during sleep QEI1CONbits.SWPAB = 0; // QEA and QEB not swapped QEI1CONbits.PCDOUT = 1; // 1=Pin asignado a UPDN - 0=Normal I/O pin operation QEI1CONbits.POSRES = 0; // Index pulse does not reset position counter DFLT1CONbits.CEID = 1; // Count error interrupts disabled DFLT1CONbits.QEOUT = 1;

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202

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT // Digital filters output enabled for QEn pins DFLT1CONbits.QECK = 7; // 1:256 clock divide for digital filter for QEn, reset for

MAXCOUNT match MAX1CNT=0XFFFF; // Resetea al ponerse a tope POS1CNT = 0; // Reset position counter //QEI1CONbits.QEIM = position counter reset by match (MAX1CNT)

Habilita

modo

mode

with

//Interrupción por POS1CNT==MAX1CNT IPC14bits.QEI1IP=6; // Nivel de prioridad interrupcion QEI1 IFS3bits.QEI1IF=0; // Reseteo flag //IEC3bits.QEI1IE=1; // Habilito interrupcion por POS1CNT==MAX1CNT en QEI1

/***** QEI2 *****/ QEI2CONbits.QEIM = 0; // Disable QEI Module QEI2CONbits.CNTERR = 0; // Clear any count errors QEI2CONbits.QEISIDL = 0; // Continue operation during sleep QEI2CONbits.SWPAB = 1; // QEA and QEB SÍ están cambiados, así que lo arreglo software QEI2CONbits.PCDOUT = 1; // 1=Pin asignado a UPDN - 0=Normal I/O pin operation QEI2CONbits.POSRES = 0; // Index pulse does not reset position counter DFLT2CONbits.CEID = 1; // Count error interrupts disabled DFLT2CONbits.QEOUT = 1; // Digital filters output enabled for QEn pins DFLT2CONbits.QECK = 7; // 1:256 clock divide for digital filter for QEn MAX2CNT=0XFFFF; // Resetea al ponerse a tope POS2CNT = 0; // Reset position counter //QEI2CONbits.QEIM = 7; // X4 mode with position counter reset by Index //Interrupción por POS2CNT==MAX2CN IPC18bits.QEI2IP=6; // Nivel de prioridad para interrupcion QEI2 IFS4bits.QEI2IF=0; // Reseteo flag //IEC4bits.QEI2IE=1; // Habilito interrupción por POS2CNT==MAX2CNT en QEI2 return; } /************************ CONFIGURACION UART1 ************************/ void InitUART1(void) { int i; //Aquí el remapeo de la UART1 __builtin_write_OSCCONL(OSCCON & 0xBF); //UNLOCK:Respeta OSCCON salvo bit6 a 0. RPINR18bits.U1RXR=3; RPOR1bits.RP2R=0b00011;

//RP3 para UART1 RX //RP2 para UART1 TX

// Bloqueamos escritura sobre registros RPINRx y RPORX. __builtin_write_OSCCONL(OSCCON |0x40); //LOCK: OSCCON salbo bit6 a 1.

Izcara Autillo, Vicente

Respeta

Código fuente 203 U1MODEbits.UARTEN = 0; // Bit15 TX, RX DISABLED, ENABLE at end offunc U1MODEbits.USIDL = 0; // Bit13 Continue in Idle U1MODEbits.IREN = 0; // Bit12 No IR translation U1MODEbits.RTSMD = 0;//1; // Bit11 Simplex Mode, sin control de flujo RTS U1MODEbits.UEN = 0; // Bits8,9 TX,RX enabled, CTS,RTS not U1MODEbits.WAKE = 0; // Bit7 No Wake up (since we don't sleep here) U1MODEbits.LPBACK = 0; // Bit6 No Loop Back U1MODEbits.ABAUD = 0; // Bit5 No Autobaud

(would

require

sending'55') U1MODEbits.URXINV = 0; // Bit4 IdleState = 1 (for dsPIC) U1MODEbits.BRGH = 0; // Bit3 16 clocks per bit period U1MODEbits.PDSEL = 0; // Bits1,2 8bit, No Parity U1MODEbits.STSEL = 0; // Bit0 One Stop Bit // Load a value into Baud Rate Generator. Example is for 9600. // See section 19.3.1 of datasheet. U1BRG = BRGVAL; // BAUD Rate Setting for 9600 // Load all values in for U1STA SFR U1STAbits.UTXISEL1 = 0; //Bit15 Interrupt when one TX character transferred (1/2config!) U1STAbits.UTXISEL0 = 0; //Bit13 Other half of Bit1 U1STAbits.UTXINV = 0; //Bit14 N/A, Tx idle is 1. U1STAbits.UTXBRK = 0; //Bit11 Disabled U1STAbits.UTXEN = 1; // U1STAbits.URXISEL = 0; //Bits6,7 Int. on character recieved U1STAbits.ADDEN = 0; //Bit5 Address Detect Disable // Habilito la UART U1MODEbits.UARTEN = 1; //And turn the peripheral on U1STAbits.UTXEN = 1; //UART TX enable // Interrupciones por UART IPC3bits.U1TXIP=0b100; //Prioridad media para interrupción IPC2bits.U1RXIP=0b100; //Prioridad media para interrupción IFS0bits.U1TXIF = 0; //Clear the Transmit Interrupt Flag IFS0bits.U1RXIF = 0; //Clear the Recieve Interrupt Flag //IEC0bits.U1RXIE = 1; // Enable UART RX Interrupt //IEC0bits.U1TXIE = 1; // Enable UART TX Interrupt

TX1 RX1

/* wait at least 104 usec (1/9600) before sending first char */ for(i = 0; i < 4160; i++) {Nop(); } return; }

/************************

CONFIGURACION PATILLAS

************************/

/* MCLR- Vpp CS1 AN0 CS2 AN1 PGED1 PGEC1 RP2 U1TX

-| -| -| -| -| -|

-----U---1 28|2 27|3 26|4 25|5 24|6 23|-

AVdd AVss RP15 RP14 RP13 RP12

QEI2B QEI2A QEI1B QEI1A

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

204

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT RP3 U1RX Vss RA2 RA3 RP4 QEI1DIR RA4 Vdd RP5 QEI2DIR

-| 7 -| 8 -| 9 -|10 -|11 -|12 -|13 RB5-|14

22|21|20|19|18|17|16|15|-

RB11 RB10 Vcap Vss RB9 RB8 RB7 RB6

2B PWM1H3

5V 5V

2A PWM2H1 1B 1A

5V 5V 5V 5V

*/ void IOConfig() { LATB=0; TRISB=0xF00B;

//Todas salidas a 0 para empezar //1111000000001011 Entrada/salida

PORTB LATA=0; TRISA=0x0003; ODCB=0XFFFF; AD1PCFGL=60; analógicas;RB<3:0>digitales return; }

//Todas salidas a 0 para empezar //00011 Entradas/salidas //Pongo salidas 5V en open drain //111100 RA0 y RA1

/************************ CONFIGURACION PWM ************************/ void InitPWM(void) { /************ PWM1 MODULE ***********************/ //P1TCONbits.PTEN=1; //Enable time base P1TCONbits.PTSIDL=0; //PWM runs in idle mode P1TCONbits.PTOPS=0b1111; interrupt cada 16*PxTPER //Opciones de prescaler ocultas las no aplicadas. //P1TCONbits.PTCKPS=0b00; P1TCONbits.PTCKPS=0b01; //Prescaler1 1:4 Tcy //P1TCONbits.PTCKPS=Ob10; //P1TCONbits.PTCKPS=0b11; P1TCONbits.PTMOD=0; P1TMRbits.PTDIR=0; P1TMRbits.PTMR=0; pulsos, base de tiempos PWM1

//Output para

base

postscaler de

tiempos

16,

permite

PWM1.

Quedan

//Prescaler1 1:1 Tcy //Prescaler1 1:16 Tcy //Prescaler1 1:64 Tcy //Time base in free run //Counting up //Reset del

contador

//P1TPER=(FCY/(FCYPWM*PRESCALER_PWM1))-1; P1TPER=999; //FUNCIONAMIENTO:

PERIODO

0.1ms P1SECMPbits.SEVTDIR=0; //Special event in counting up P1SECMPbits.SEVTCMP=P1TPER; //FUNCIONAMIENTO:A la vez que P1CNT==P1TPER, P1CNT==P1SECMPbits.SEVTCMP, disparo ADC //No confundir con generar interrupcion por fin de ciclo PWM PWM1CON1bits.PMOD3=1; //Canal H3 y L3 en modo independent PWM1CON1bits.PEN3H=1; //Pin enabled for PWM PWM1CON1bits.PEN2H=0; //Pin disabled, gpi/o PWM1CON1bits.PEN1H=0; //Pin disabled, gpi/o PWM1CON1bits.PEN3L=0; //Pin disabled, gpi/o PWM1CON1bits.PEN2L=0; //Pin disabled, gpi/o

Izcara Autillo, Vicente

Código fuente 205 PWM1CON1bits.PEN1L=0;

//Pin disabled, gpi/o

PWM1CON2bits.SEVOPS=0;

//1:1

Postscaller

para

special

event trigger PWM1CON2bits.IUE=0;

//Updates of DC1 synchro to

PWM timebase PWM1CON2bits.OSYNC=0; PWM1CON2bits.UDIS=0;

//Overrides synchro to Tcy //Updates of DC and PTPER enabled

P1OVDCONbits.POVD3H=1;

//Output

PWM1H3

controlled

the PWM generator //Interrupciones

por

TIME

BASE

OUTPUT

POSTSCALER=

períodos

//IPC14bits.PWM1IP=5; //Prioridad //IFS3bits.PWM1IF=0; //Bajo el flag //IEC3bits.PWM1IE=1; //Habilito interrupcion //P1DC3=1000; //FUNCIONAMIENTO:

Esto

completados

debería darme un 50% //P1TCONbits.PTEN=1;

//Enable time base

/************ PWM2 MODULE ***********************/ //P2TCONbits.PTEN=1; //Enable time base P2TCONbits.PTSIDL=0; //PWM runs in idle mode P2TCONbits.PTOPS=0b1111; //Output postscaler 16 //Opciones de prescaler para base de tiempos PWM1. Quedan ocultas las no aplicadas. //P2TCONbits.PTCKPS=0b00; //Prescaler1 1:1 Tcy P2TCONbits.PTCKPS=0b01; //Prescaler 1:4 Tcy //P2TCONbits.PTCKPS=Ob10; //Prescaler1 1:16 Tcy //P2TCONbits.PTCKPS=0b11; //Prescaler1 1:64 Tcy P2TCONbits.PTMOD=0; //Time base in free run P2TMRbits.PTDIR=0; P2TMRbits.PTMR=0; pulsos, base de tiempos P2

//Counting up //Reset del

//P2TPER=(FCY/(FCYPWM*PRESCALER_PWM2))-1; P2TPER=999;

contador

//FUNCIONAMIENTO:

PERIODO 0.1ms P2SECMPbits.SEVTDIR=0; P2SECMPbits.SEVTCMP=P2TPER; SpcialEvent a la vez que fin de período:ADC

//Special event in counting up //FUNCIONAMIENTO:Disparo

PWM2CON1bits.PMOD1=1;

//Canal

PWM2CON1bits.PEN1H=1; PWM2CON1bits.PEN1L=0;

//Pin enabled for PWM //Pin disabled, gpi/o

modo

Postscaller

para

independent

//PWM2CON2bits.SEVOPS=0;

//1:1

PWM2CON2bits.IUE=0;

//Updates of DC1 synchro to

special event trigger PWM timebase PWM2CON2bits.OSYNC=0; PWM2CON2bits.UDIS=0;

//Overrides synchro to Tcy //Updates of DC and PTPER enabled

P2OVDCONbits.POVD1H=1;

//Output

PWM2H1

controlled

the PWM generator

Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid

206

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT // // // //

INTERRUPCIÓN PWM2 IPC18bits.PWM2IP=5; //Prioridad IFS4bits.PWM2IF=0; //Bajo el flag IEC4bits.PWM2IE=1; //Habilito interrupcion

//P2DC1=1000;

//FUNCIONAMIENTO:

//P2TCONbits.PTEN=1;

//Enable time base

debería darme un 50% return; }

Izcara Autillo, Vicente

Esto

Código fuente 207

“VicBot_main.c”

/******************************************************************************/ /* */ /* Proyecto: VicBot.mcp */ /* File: VicBot_main.c */ /* Description: Programa principal de aplicación de control de movimiento */ /* Incorpora interfaz de comunicación y control PID velocidad */ /* Otros archivos requeridos: */ /* Config_perif.c */ /* VicBot.h */ /* p33fj64mc802.h */ /* libpic30-coff.a */ /* libc-coff.a */ /* libq-coff.a */ /* libq-dsp-coff.a */ /* /* /* /*

Autor:

Vicente Izcara Autillo vicenteizcara@hotmail.com Herramientas utilizadas: MPLAB -> 8.83

*/ */ */ */

/* /*

Revision:

*/ */

release (20-01-2013)

/******************************************************************************/ #include <p33fj64mc802.h> #include "VicBot.h" //definiciones generales //#define FCY 40000000 #include <libpic30.h> #include <stdio.h> #include <libq.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <math.h> #include <dsp.h> //#include "Config_perif.c"

//dispositivo utilizado

//Ojo, definir FCY antes!! //Para el printf //Para numeros fraccionales //Para atoi //Para strncmp //Para fabs //Para PID -4funciones//Funciones de inicializacion

/******************************************************************************/ /* FUSES */ /******************************************************************************/ // Configuracion proteccion flash y ram _FBS(BWRP_WRPROTECT_OFF) // Sin proteccion de escritura _FGS(GCP_OFF) // Code protect disabled // Seleccion del oscilador: _FOSCSEL( FNOSC_FRCPLL & IESO_OFF ) // Fast RC oscillator w/ divide and PLL, two speed off _FOSC(FCKSM_CSDCMD & OSCIOFNC_ON & POSCMD_NONE & IOL1WAY_OFF )

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208

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

//Clock switch disable, OSC2 digital I/O, Primary oscilator disabled, Allow multiple reconfig for PeriPortSelect

// Configuracion del watch dog _FWDT(FWDTEN_OFF) // Watchdog disabled // Configuraciones generales: I2C, JTAG.. _FPOR(PWMPIN_ON & HPOL_ON & LPOL_ON & FPWRT_PWR1) // PWM Module pins controlled IO port, Active High for PWMH y PWML, Power on reset disable _FICD( ICS_PGD1 & JTAGEN_OFF ) // ICD communication channel on PGC1 y PGD1, JTAG port OFF

/******************************************************************************/ /* DECLARACION DE VARIABLES GLOBALES */ /******************************************************************************/ int Cuenta_eventos_QEI1;

// Almacena num interrupciones

QEI1 char mytext[]; char* punt_mytext; char mensaje [MAX_LONG_MENSAJE]; char * puntmensaje; char caso_movimiento_actual;

int int int int int

//Codifico la gestión según tipo de mov

variables1[200][9]; contador_variables=0; tiempo=0; posicion_i_anterior=0; posicion_d_anterior=0;

typedef struct { unsigned activado:1; unsigned movencurso:1;

//FLAGS DEMOVIMIENTO // Flag robot activo // Flag trayectoria en

curso unsigned colamovvacia:1;

// Flag cola de órdenes

unsigned colamovllena:1;

// Flag cola de órdenes

unsigned mensajencurso:1;

// Flag recibiendo

unsigned mensajerecibido:1;

// Flag para espera de ser

vacía llena caracteres de mensaje anotado en cola unsigned semiparada:1; dos motores terminen para movencurso=0

// Semáforo de espera a que

unsigned log_ON:1;

// Modo con registro de

unsigned control_ON:1;

// Modo control de

unsigned registro_datos_lleno:1;

//Array de registro lleno,

datos activado velocidad activado deja de registrar }FLAGSrobot; volatile

FLAGSrobot FLAGSROBOT __attribute__((address(0x0800)));

typedef struct orden{

Izcara Autillo, Vicente

Código fuente 209 int v_orden; int fipunto_orden; int S_orden; int fi_orden; int t; struct orden * sig; //int relleno;

//A mayores para cola por lista //Por si orden debe ocupar potencia de 2

posiciones } ORDEN_MOV;

/*------------ VARIABLES ALGORITMOS POSICION-VELOCIDAD ---------------*/ int V_orden; //Rango tipico: (-1600,1600) mm/s int S_orden; //Rango int: acuerdo que siempre >0 (-32768,32767) mm int Fipunto_orden; //Rango tipico: (-1000,1000) º/s int Fi_orden; int t; //Según interrupción de timer float Vi_orden; //Rango típico (-1600,1600)mm/s float Vd_orden; //Rango típico (-1600,1600)mm/s //int Titapuni_orden; //int Titapund_orden; float Vconsigna_i, Vconsigna_d; float Vbase_i, Vbase_d; float Vcontrol_i, Vcontrol_d; float Si_orden; // Acuerdo que siempre >0 float Sd_orden; // Acuerdo que siempre >0 float S1_i,S1_d; // Fin de ACELERANDO en TRIANGULO y TRAPECIO float S2_i,S2_d; // Fin DECELERANDO en TRIAN y PLANO en TRAP float S3_i,S3_d; // Fin DECELERANDO en TRAP char perfil; //Cargo el tipo TRAPECIO O TRIANGULO en calcular_PREMOVE() char fase_perfil_i; //Opciones: ACELERANDO,PLANO, DECELERANDO, PARADA char fase_perfil_d; float A_mmps; int Ai_dc; //Aceleración izquierda unidades DC por ciclo float Ai_mmps; int Ad_dc; //Aceleración derecha unidades DC por ciclo float Ad_mmps; float Incremento_Vbase_i; float Incremento_Vbase_d; int int int int

pos_acumulada_i;//Recogen el salto al resetear POSxCNT, mov en curso pos_acumulada_d; MAX1CNT_COPIA; MAX2CNT_COPIA;

/* ------- A cuenta del CONTROL ------- */ // Declaracion variables globales ya hecha en dsp.h que se incluye // // // // // // // // // // // // // //

typedef struct tPID { fractional * abcCoefficients ; /* Puntero a los coeficientes que se encuentran en el espacio de memoria X, estos coeficientes se deriva de los valores de las ganancias PID : Kp , Ki y Kd */ fractional * controlHistory ; /* Puntero a las 3 ultimas muestras almacenadas en el espacio de memoria Y, la primera es la mas reciente*/ fractional controlOutput ; /* Salida del regulador PID */ fractional measuredOutput ; /* Valor medido de la respuesta del sistema */ fractional controlReference ;

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210

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT // //

/* Referencia del sistema */ } tPID ;

//Declaracion funciones rutinas PID //tPID PID ( tPID *); //void PIDInit ( tPID * fooPIDStruct ); //void PIDCoeffCalc ( fractional * fooPIDGainCoeff , tPID * fooPIDStruct ); tPID PID_i, PID_d;

//Estructuras de datos PID para VicBot

//Variables utilizadas por las rutinas PID fractional abcCoefficient_i [3] __attribute__ (( section (".xbss , bss , xmemory "))); fractional abcCoefficient_d [3] __attribute__ (( section (".xbss , bss , xmemory "))); // A= Kp+Ki+Kd // B= -(Kp+2Kd) // C= Kd fractional controlHistory_i [3] __attribute__ ((section (".ybss , bss , ymemory"),far)); fractional controlHistory_d [3] __attribute__ ((section (".ybss , bss , ymemory"),far)); //Una vez ejecutada la rutina, quedan: [0]=[1] actual; [2] anterior; fractional kCoeffs_i [3]; //= {0 ,0 ,0}; fractional kCoeffs_d [3]; //= {0 ,0 ,0}; float float float float float

velocidad_i_mmps; velocidad_d_mmps; U_control; Vi_orden; Vd_orden;

float V_mmps; float Fipunto; float S; float Fi; int pos1_abs; int pos2_abs; float Vi_mmps, Vd_mmps; float Vi_1, Vd_1; float Vi_2, Vd_2; int POSi, POSd; int POSi_1,POSd_1; float EV; float EFipunto; float ES; float EVi,EVd; float EVi_1, EVd_1; float float float float float

Kp_i; Ki_i,Kd_i; //Variables absolutas del algoritmo Kp_d,Ki_d,Kd_d; kp_i,ki_i,kd_i; //Variables adaptadas a Delta_t kp_d,ki_d,kd_d;

Izcara Autillo, Vicente

Código fuente 211

float float float float float float

IEA_i; //Integral de error absoluto IEA_d; max_sobrepaso_i; max_sobrepaso_d; EA_max_i; EA_max_d;

//No creo en paralelo A_i, A_d, B_i, B_d... typedef struct { int posicion; int posicion_1; float S; float V; float V_1; float A; }cinematica; cinematica CINEMATICA_i, CINEMATICA_d; cinemáticos

//Almacenar cálculos

typedef struct { float V; float V_1; float Fipunto; float A; }cinematica_robot; cinematica_robot VICBOT; typedef struct { //El santo Ángel de Jerez de la Frontera: colegio Fernando Díez int Vsqr; int Fipunto_sqr; int lado_sqr; }cuadrado; cuadrado trayec_cuadrado; typedef struct { int radio_cir; int Vcir; }circulo; circulo trayec_circulo; typedef struct { ORDEN_MOV* inicial; ORDEN_MOV* final; unsigned int numelem; } cola; cola COLA_MOV;

//Cola genérica //Ojo a que ocupe potencias de 2; //Hago una para ordenes de mov.

ORDEN_MOV* recibida;

//Apunta recibida en espera de sitio en

ORDEN_MOV* extraida;

//Apunta extraida para ser ejecutada

cola void iniciar_COLA (cola*); ORDEN_MOV* crear_ORDEN_MOV(int*); //Reserva memoria y rellena sus campos void alojar_ORDEN_MOV(cola*,ORDEN_MOV*); //Recibe orden y coloca en cola según numelem ORDEN_MOV* extraer_ORDEN_MOV(cola*); //Saca orden de cola void ejecutar_ORDEN_MOV(ORDEN_MOV*); //Gestiona la orden de movimiento

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212

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT void demo_cola (int[]); int extraer_mensaje (int*); int calcularDC (float); float calcularV (int); void void void void void void void

//Para hacer más compacta la extraccion de datos //Según regresion (2) //Según regresión (1)

IOConfig(void); OSCconfig(void); InitQEI(void); InitPWM(void); InitUART1(void); InitTIMER1 (void); rafaga_100(unsigned int);

//extern void asmFUNCION (void); //int CALCULA_DC(int PTPER, int porciento); // Calcula valor para cargar en DCx void PARAR_IZQUIERDA(void);

// Declaro funcion detiene motores

void PARAR_DERECHA(void);

// Declaro funcion detiene motores

Iz De void detener(void); void hacia_delante(void); void hacia_atras(void); void spin_izquierda(void); void spin_derecha(void); int CALCULAR_PULSOS(int); void Desplazamiento_mm_i (int,int); num y signo de mm y origen void Desplazamiento_mm_d (int,int); void Gestionar_DCI (int); giro void Gestionar_DCD (int); giro int convertir_mmps_a_ppc (int); int convertir_ppc_a_mmps (int); void putUART1(char); void putsUART1(char*); void Filtrado_Vi_Vd_orden(void); void Cargar_var_defecto (void); void Cargar_kCoeffs (void); d), en Q15

// Calcula pulsos para mm // Carga MAXxCNT y POSxCNT según //Carga en DCI y ajusta sentido de //Carga en DCD y ajusta sentido de

// Carga un caracter para enviar // Carga una cadena para enviar // Escala valores dentro de rango // Carga en array kp,ki,kd (i y

void Evaluar_pos1_abs(void); // Juzga con Pos_acumulada y void Evaluar_pos2_abs(void); // POSxCNT ó MAXxCNT según signo void Calcular_cinematica (cinematica*, int); void Calcular_cinematica_ROBOT (cinematica *, cinematica*, cinematica_robot*); void Saturacion_consignas (void); // Trunca consignas a valor max void Evaluar_indicadores (void); void Iniciar_variables (void); //Variables e indicadores, cada nuevo mov void Registrar_datos (void); //Refresca la cinemática y lo almacena en array void Reset_cinematica (cinematica *); // Resetea historial de cinematica void Reset_cinematica_robot(cinematica_robot *); //Resetea historial cinematica robot /******************************************************************************/ /* INTERRUPCIONES */ /******************************************************************************/ /*--------//

INFO: PRIORIDAD DE INTERRUPCIONES ---------- */

UART1RX: 4

Izcara Autillo, Vicente

Código fuente 213 // // // // // //

UART1TX: 4 TIMER1: 5 QEI1: 6 QEI2: 6 PWM1: 5 PWM2: 5

//========================================================================== void __attribute__((interrupt, no_auto_psv)) _T1Interrupt (void) //========================================================================== /* Rutina de atención interrupción TIMER1 - TMR1=PR1 */ { Evaluar_pos1_abs(); Evaluar_pos2_abs(); /* if (Si_orden>=0) { pos1_abs= (int) POS1CNT+ pos_acumulada_i; } else { pos1_abs= -((MAX1CNT_COPIA-(int)POS1CNT)+ pos_acumulada_i); } if (Sd_orden>=0) { pos2_abs= (int) POS2CNT+ pos_acumulada_d; } else { pos2_abs= -((MAX2CNT_COPIA-(int)POS2CNT)+ pos_acumulada_d); } */ switch (fase_perfil_i) { case ACELERANDO: if(fabsf(Vbase_i)<fabsf(Vi_orden))

//Ambas, mmps valor

entero {Vbase_i=Vbase_i+Incremento_Vbase_i;} break; case DECELERANDO: if (fabsf(Vbase_i)>=200) //fabsf(Incremento_Vbase_i)) //Ultimo decremento da Vbase=0 {Vbase_i=Vbase_i-Incremento_Vbase_i;} break; case PARADA:

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214

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT Vbase_i=0; break; } switch (fase_perfil_d) { case ACELERANDO: if (fabsf(Vbase_d)<fabsf(Vd_orden)) {Vbase_d=Vbase_d+Incremento_Vbase_d;} break; case DECELERANDO: if (fabsf(Vbase_d)>=200) //fabsf(Incremento_Vbase_d)) {Vbase_d=Vbase_d-Incremento_Vbase_d;} break; case PARADA: Vbase_d=0; break; } //Evaluación del control izquierdo //Return DCI=calcularDC(Vconsigna_i)

Calcular_cinematica (&CINEMATICA_i, pos1_abs); Calcular_cinematica (&CINEMATICA_d, pos2_abs); Calcular_cinematica_ROBOT (&CINEMATICA_i,&CINEMATICA_d, &VICBOT); //----¿Fin del movimiento?<-> fase_i=PARADA & Vi=Vbase_i & fase_d=PARADA & Vd=Vbase_d --/ if ((fase_perfil_i==PARADA)&&(fabsf(CINEMATICA_i.V)<100)&&(fase_perfil_d==PARADA)&&(fabsf (CINEMATICA_d.V)<100)) { detener(); FLAGSROBOT.movencurso=0; } else { // Cargar en variables PID las cinematicas if (FLAGSROBOT.control_ON==1) { PID_i . controlReference = _Q15ftoi((float)Vbase_i/escala_E) ; //Escala V=2000 PID_d . controlReference = _Q15ftoi((float)Vbase_d/escala_E) ; //Escala V=2000 PID_i . measuredOutput= _Q15ftoi ((float)CINEMATICA_i.V/escala_E); //Le paso la salida real PID_d . measuredOutput= _Q15ftoi ((float)CINEMATICA_d.V/escala_E); PID (& PID_i ); computa la acción de control PID (& PID_d );

Izcara Autillo, Vicente

//Llamo a la función que

Código fuente 215 Vcontrol_i=(_itofQ15(PID_i . controlOutput))*escala_K*escala_E; Vcontrol_d=(_itofQ15(PID_d . controlOutput))*escala_K*escala_E; //Vcontrol_i=0;

//Lo suyo, la salida del

PID //Vcontrol_d=0; } else { Vcontrol_i=0; Vcontrol_d=0; } Evaluar_indicadores (); Vconsigna_i=(Vbase_i+Vcontrol_i)*1.05; Vconsigna_d=Vbase_d+Vcontrol_d; /* Saturacion */ Saturacion_consignas(); Gestionar_DCI (calcularDC(Vconsigna_i)); Gestionar_DCD (calcularDC(Vconsigna_d)); } if ((FLAGSROBOT.log_ON==1)&&(!FLAGSROBOT.registro_datos_lleno)) { Registrar_datos(); }

IFS0bits.T1IF = 0; // Se baja la bandera por interrupción de TMR1 return; }

//======================================================================= void __attribute__((interrupt, no_auto_psv)) _QEI1Interrupt(void) //======================================================================= /* Rutina de atención interrupción QEI1 - Position counter 1 compare */ { /* ---- NUEVO TRAMO SEGÚN PERFIL y NUEVO LÍMITE MAXxCNT ----*/ pos_acumulada_i+=MAX1CNT_COPIA;

switch (fase_perfil_i) { case ACELERANDO: if (perfil==TRIANGULO) {

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216

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT //MAX1CNT=CALCULAR_PULSOS((int)S2_i); //Aquí,

S1_i=S2_i=Si_med Desplazamiento_mm_i((int)S2_i,0); fase_perfil_i=DECELERANDO;} if (perfil==TRAPECIO) { //MAX1CNT=CALCULAR_PULSOS((int)(S2_i)); Desplazamiento_mm_i((int)S2_i,0); fase_perfil_i=PLANO;} break; case PLANO: //MAX1CNT=CALCULAR_PULSOS((int)S3_i); Desplazamiento_mm_i((int)S3_i,0); fase_perfil_i=DECELERANDO; break;

/* dos motores terminen

case DECELERANDO: PARAR_IZQUIERDA(); fase_perfil_i=PARADA; DESHABILITAR_INTERRUP_QEI1(); putsUART1("IZDA listo\n\r"); if (FLAGSROBOT.semiparada==1) //Semáforo de espera a que { FLAGSROBOT.semiparada=0; FLAGSROBOT.movencurso=0; putsUART1("Fin MOVenQ1\n\r"); } else {FLAGSROBOT.semiparada=1;}

*/ break; } IFS3bits.QEI1IF=0;

// Restablecer flag de

interrupcion }

//============================================================================ void __attribute__((interrupt, no_auto_psv)) _QEI2Interrupt(void) //============================================================================ /* Rutina de atención interrupción QEI2 - Position counter 2 compare */ { /* ---- NUEVO TRAMO SEGÚN PERFIL y NUEVO LÍMITE MAXxCNT ----*/ pos_acumulada_d+= MAX2CNT_COPIA; switch (fase_perfil_d) { case ACELERANDO: if (perfil==TRIANGULO) { //MAX2CNT=CALCULAR_PULSOS((int)S2_d); Desplazamiento_mm_d((int)S2_d,0); fase_perfil_d=DECELERANDO;} if (perfil==TRAPECIO) { //MAX2CNT=CALCULAR_PULSOS((int)(S2_d)); Desplazamiento_mm_d((int)S2_d,0); fase_perfil_d=PLANO;}

Izcara Autillo, Vicente

Código fuente 217 break; case PLANO: //MAX2CNT=CALCULAR_PULSOS((int)S3_d); Desplazamiento_mm_d((int)S3_d,0); fase_perfil_d=DECELERANDO; break;

/* dos motores terminen

case DECELERANDO: PARAR_DERECHA(); fase_perfil_d=PARADA; DESHABILITAR_INTERRUP_QEI2(); putsUART1("DCHA listo\n\r"); if (FLAGSROBOT.semiparada==1) //Semáforo de espera a que { FLAGSROBOT.semiparada=0; FLAGSROBOT.movencurso=0; putsUART1("Fin MOVenQ2\n\r"); } else {FLAGSROBOT.semiparada=1;}

*/ break; } IFS4bits.QEI2IF=0;

// Restablecer flag

} //======================================================================= void __attribute__((interrupt, no_auto_psv)) _U1RXInterrupt(void) //======================================================================= /* Rutina de atención interrupción UART1 RX */ { char recibido; char caso_comando; char caso_variable; int i,j; //indice mensaje, índice submensaje char variable[10]; //nombre de variable float valor; //Valor de la variable int orden_recibida[5]; //Pivote para ir apuntando recibido=U1RXREG; switch (recibido) { case '$': //$: d36 ó 0x24 puntmensaje=&(mensaje[0]); for (i=0;i<MAX_LONG_MENSAJE;i++) {mensaje[i]='\0';} /*while (*puntmensaje != '\0') //Asumo que \0 es el último elemento {*puntmensaje=' '; puntmensaje++; }*/ puntmensaje=&(mensaje[0]); //Listo para apuntar comando FLAGSROBOT.mensajencurso=1; FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break; case '#': //#: d35 ó 0x23

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218

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT FLAGSROBOT.mensajerecibido=1; FLAGSROBOT.mensajencurso=0; Nop(); break; default: //Apunto caracteres que no sean $# *puntmensaje=recibido; puntmensaje++; break; } //Interpretar mensaje // Bloque COMANDO: if (FLAGSROBOT.mensajerecibido==1) { caso_comando=0; //por defecto if(strncmp(mensaje,"MOV",3)==0) caso_comando=1; else if(strncmp(mensaje,"WHO",3)==0) caso_comando=2; else if(strncmp(mensaje,"SET",3)==0) caso_comando=3; else if(strncmp(mensaje,"LOG ON",6)==0) caso_comando=4; else if(strncmp(mensaje,"LOG OFF",7)==0) caso_comando=5; else if(strncmp(mensaje,"CTRL ON",7)==0) caso_comando=6; else if(strncmp(mensaje,"CTRL OFF",8)==0) caso_comando=7; else if(strncmp(mensaje,"ASK",3)==0) caso_comando=8; else if(strncmp(mensaje,"SQR",3)==0) caso_comando=9; else if(strncmp(mensaje,"CIR",3)==0) caso_comando=10;

switch (caso_comando) { case 0: putsUART1("Comando no reconocido\n\n\r"); FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break; case 1: /* ---- PRIMER SUBMENSAJE ---- */ i=1; while (mensaje[i-1]!='[') {i++;} //Recorro hasta el siguiente de [ //El mensaje es global orden_recibida[0]= extraer_mensaje (&i); //Extrae hasta siguiente ','ó']' /* ---- SEGUNDO SUBMENSAJE

----*/

//i debe quedar en siguiente a primera , orden_recibida[1]= extraer_mensaje (&i); /* ---- TERCER SUBMENSAJE ----*/

Izcara Autillo, Vicente

Código fuente 219

//i debe quedar en siguiente a segunda , orden_recibida[2]= extraer_mensaje (&i); /* ---- CUARTO SUBMENSAJE ----*/ //i debe quedar en siguiente a tercera , orden_recibida[3]=extraer_mensaje(&i); /* ---- QUINTO SUBMENSAJE ----*/ //i queda en siguiente a cuarta , orden_recibida[4]=extraer_mensaje(&i); //Cargar orden en cola de movimiento alojar_ORDEN_MOV(&COLA_MOV,crear_ORDEN_MOV(orden_recibida)); FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; cargar uno nuevo

//Puedo

break; case 2: //Mensaje de identificación putsUART1("VICBOT al aparato\n\r"); FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break; case 3: //Comando SET de cambio en variable i=1; while (mensaje[i-1]!='[') {i++;} //Recorro hasta el siguiente de [ for (j=0; j<10; j++) { variable[j]='\0';} //Limpio el arreglo j=0; while (mensaje[i]!=',') { variable[j]=mensaje[i]; i++; j++; } // Evalúo de qué variable se trata caso_variable=0; if(strncmp(variable,"Kp_i",4)==0) {caso_variable=1;} else if (strncmp(variable,"Ki_i",4)==0) {caso_variable=2;} else if (strncmp(variable,"Kd_i",4)==0) {caso_variable=3;} else if (strncmp(variable,"Kp_d",4)==0) {caso_variable=4;} else if (strncmp(variable,"Ki_d",4)==0) {caso_variable=5;} else if (strncmp(variable,"Kd_d",4)==0) {caso_variable=6;} else if (strncmp(variable,"A_mmps",6)==0)

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220

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT {caso_variable=7;} //Extraigo el valor de la variable for (j=0;j<10;j++) variable[j]='\0'; i++; j=0; while (mensaje[i]!=']') { variable[j]=mensaje[i]; i++; j++; } valor=atof(variable); //Confío en '.' coma

decimal switch (caso_variable) { case 0: putsUART1("Variable no reconocida\n"); FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break; case 1: Kp_i=valor; putsUART1("Kp_i SET\n\r"); break; case 2: Ki_i=valor; putsUART1("Ki_i SET\n\r"); break; case 3: Kd_i=valor; putsUART1("Kd_i SET\n\r"); break; case 4: Kp_d=valor; putsUART1("Kp_d SET\n\r"); break; case 5: Ki_d=valor; putsUART1("Ki_d SET\n\r"); break; case 6: Kd_d=valor; putsUART1("Kd_d SET\n\r"); break; case 7: A_mmps=valor; putsUART1("A_mmps SET\n\r"); break; } FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break;

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Código fuente 221

case 4: // Activar registro datos FLAGSROBOT.log_ON=1; putsUART1("Registro datos ON\n\r"); FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break; case 5: //Desactivar registro datos FLAGSROBOT.log_ON=0; putsUART1("Registro datos OFF\n\r"); FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break; case 6: //Activar control de velocidad FLAGSROBOT.control_ON=1; putsUART1("Control ON\n\r"); FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break; case 7: //Desactivar control de velocidad FLAGSROBOT.control_ON=0; putsUART1("Control OFF\n\r"); FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break; case 8: //Preguntar valor de parámetro o variables i=1; while (mensaje[i-1]!='[') {i++;} //Recorro hasta el siguiente de [ for (j=0; j<10; j++) { variable[j]='\0';} //Limpio el arreglo j=0; while (mensaje[i]!=']') { variable[j]=mensaje[i]; i++; j++; } // Evalúo de qué variable se trata caso_variable=0; if(strncmp(variable,"Kp_i",4)==0) {caso_variable=1;} else if (strncmp(variable,"Ki_i",4)==0) {caso_variable=2;} else if (strncmp(variable,"Kd_i",4)==0) {caso_variable=3;} else if (strncmp(variable,"Kp_d",4)==0) {caso_variable=4;} else if (strncmp(variable,"Ki_d",4)==0) {caso_variable=5;} else if (strncmp(variable,"Kd_d",4)==0) {caso_variable=6;} else if (strncmp(variable,"A_mmps",6)==0) {caso_variable=7;} //Mostrar el valor de lo seleccionado switch (caso_variable)

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222

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT { case 0: putsUART1("Variable no

reconocida\n"); FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break; case 1: printf("Kp_i: %.2f \n\r",Kp_i); break; case 2: printf("Ki_i: %.2f \n\r",Ki_i); break; case 3: printf("Kd_i: %.2f \n\r",Kd_i); break; case 4: printf("Kp_d: %.2f \n\r",Kp_d); break; case 5: printf("Ki_d: %.2f \n\r",Ki_d); break; case 6: printf("Kd_d: %.2f \n\r",Kd_d); break; case 7: printf("A_mmps: %.2f \n\r",A_mmps); break; } FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break; case 9: //CREAR TRAYECTORIA CUADRADO i=1; while (mensaje[i-1]!='[') {i++;} //Recorro hasta el siguiente de [ //El mensaje es global trayec_cuadrado.Vsqr= extraer_mensaje (&i); //Extrae hasta siguiente ','ó']' /* ---- SEGUNDO SUBMENSAJE

----*/

//i debe quedar en siguiente a primera , trayec_cuadrado.Fipunto_sqr= extraer_mensaje (&i); /* ---- TERCER SUBMENSAJE ----*/ //i debe quedar en siguiente a segunda , trayec_cuadrado.lado_sqr= extraer_mensaje (&i);

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Código fuente 223

//Cargar parámetros de cuadrado en array for (i=0;i<4;i++) { /* Tramo recto */ orden_recibida[0]=trayec_cuadrado.Vsqr; orden_recibida[1]=0; orden_recibida[2]=trayec_cuadrado.lado_sqr; orden_recibida[3]=0; orden_recibida[4]=0; alojar_ORDEN_MOV(&COLA_MOV,crear_ORDEN_MOV(orden_recibida)); putsUART1("Recto alojado\n\r"); //Debug /* Tramo giro 90º */ orden_recibida[0]=0; orden_recibida[1]=trayec_cuadrado.Fipunto_sqr; orden_recibida[2]=0; orden_recibida[3]=90; orden_recibida[4]=0; alojar_ORDEN_MOV(&COLA_MOV,crear_ORDEN_MOV(orden_recibida)); putsUART1("Giro alojado\n\r");//Debug } putsUART1("Cuadrado en cola\n\r"); FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break; case 10: //CREAR TRAYECTORIA CIRCUNFERENCIA i=1; while (mensaje[i-1]!='[') {i++;} //Recorro hasta el siguiente de [ //El mensaje es global trayec_circulo.Vcir= extraer_mensaje (&i); //Extrae hasta siguiente ','ó']' /* ---- SEGUNDO SUBMENSAJE

----*/

//i debe quedar en siguiente a primera , trayec_circulo.radio_cir= extraer_mensaje (&i); //Cargar parámetros de círculo en array orden /* Tramo recto */ orden_recibida[0]=trayec_circulo.Vcir; orden_recibida[1]=(int) (((float)trayec_circulo.Vcir)/(float)trayec_circulo.radio_cir*((float)180/PI)); orden_recibida[2]=(int) (2*PI*trayec_circulo.radio_cir);

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Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT orden_recibida[3]=360; orden_recibida[4]=0; alojar_ORDEN_MOV(&COLA_MOV,crear_ORDEN_MOV(orden_recibida)); putsUART1("Círculo en cola\n\r"); FLAGSROBOT.mensajerecibido=0; break; } }

}

IFS0bits.U1RXIF = 0; //Restablecer flag //Fin rutina interrupcion RX

//========================================================================= void __attribute__((interrupt, no_auto_psv)) _U1TXInterrupt(void) //========================================================================= /* Rutina de atención interrupción UART1 TX */ { IFS0bits.U1TXIF = 0;

//Restablecer flag

}

//=========================================================================== void __attribute__((interrupt, no_auto_psv)) _MPWM1Interrupt(void) //=========================================================================== /* Rutina de atención interrupción PWM1 - una de tantas P1TMR match P1TPER { IFS3bits.PWM1IF=0; }

// Restablecer flag

//=========================================================================== void __attribute__((interrupt, no_auto_psv)) _MPWM2Interrupt(void) //=========================================================================== /* Rutina de atención interrupción PWM2 - una de tantas P2TMR match P2TPER */ { IFS4bits.PWM2IF=0; }

// Restablecer flag

/******************************************************************************/ /* ERRORES */ /******************************************************************************/ // Err1: reserva memoria para crear_ORDEN_MOV() // Err2: nueva orden con COLA_MOV llena MAX_ELEM_COLA_MOV // Err3: en extraer_ORDEN_MOV

/******************************************************************************/ /* PROCEDIMIENTOS */

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Código fuente 225 /******************************************************************************/ int main (void) { unsigned volatile

int contador; int z=0;

/*Configuración de periféricos*/ OSCconfig(); IOConfig(); InitQEI(); InitPWM(); InitUART1(); InitTIMER1(); /*Habilito periféricos*/ HABILITAR_QEI1(); HABILITAR_QEI2(); HABILITAR_PWM_I(); HABILITAR_PWM_D(); HABILITAR_UART1(); /*Habilito interrupciones*/ HABILITAR_INTERRUP_RX1(); __delay_ms(100); iniciar_COLA (&COLA_MOV);

//Pone a 0 los tres campos de COLA_MOV

Cargar_var_defecto (); while (1) //Bucle principal { Nop(); Iniciar_variables(); while (FLAGSROBOT.colamovvacia==1) {Nop();} if (FLAGSROBOT.control_ON==1) { /* Primer paso , inicializar las estructuras de datos PID */ /* Apuntar a los coeficientes */ PID_i . abcCoefficients = & abcCoefficient_i [0]; PID_d . abcCoefficients = & abcCoefficient_d [0]; /* Apuntar al historial de muestras del regulador */ PID_i . controlHistory = & controlHistory_i [0]; PID_d . controlHistory = & controlHistory_d [0]; /* Limpiar el historial y la salida del controlador */ PIDInit (& PID_i ); PIDInit (& PID_d ); Cargar_kCoeffs();

//Carga en array kp, ki y

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kd en Q15 /* Derivar los coeficientes a,b, & c a partir de kp , ki & kd */ PIDCoeffCalc (& kCoeffs_i [0] , & PID_i ); PIDCoeffCalc (& kCoeffs_d [0] , & PID_d ); } extraida=extraer_ORDEN_MOV(&COLA_MOV); FLAGSROBOT.movencurso=1; ejecutar_ORDEN_MOV(extraida); while (FLAGSROBOT.movencurso!=0) {Nop();} //Aquí podría ir enviando datos para mejorar cadencia /* check for receive errors CODIGO EJEMPLO DS70188D RX UART */ //if(U1STAbits.FERR = 1) //{ //continue; //} /* must clear the overrun error to keep uart receiving */ //if(U1STAbits.OERR = 1) //{ //U1STAbits.OERR = 0; //continue; //} /* get the data */ //if(U1STAbits.URXDA = 1) //{ //ReceivedChar = U1RXREG; //} APAGAR_TIMER1(); if (FLAGSROBOT.log_ON==1) { putsUART1("Tiempo; POS1CNT_global; POS2CNT_global; Vbase_i; Vbase_d; Control_i; Vcontrol_d; Vi; Vd\r\n"); for(z=0; z<contador_variables; z++) { //printf("%d; %d; %d; %d; %d\n",variables1[z][0], variables1[z][1], variables1[z][2],(int)calcularV(variables1[z][3]),(int)calcularV(variables1[z][4])); printf("%d; %d; %d; %d; %d; %d; %d; %d; %d\n",variables1[z][0], variables1[z][1], variables1[z][2],(int)variables1[z][3],(int)variables1[z][4], variables1[z][5], variables1[z][6], variables1[z][7], variables1[z][8]); __delay_ms(10); } putsUART1("\n\r"); putsUART1("\n\r Kp_i; Ki_i; Kd_i\n\r"); printf("%.2f; %.2f; %.2f\n\r",Kp_i,Ki_i,Kd_i); putsUART1("\n\r Kp_d; Ki_d; Kd_d\n\r"); printf("%.2f; %.2f; %.2f\n\n\r",Kp_d,Ki_d,Kd_d); putsUART1("IEA_i; IEA_d; max_sobrepaso_i; max_sobrepaso_d; EA_max_i; EA_max_d\n\r"); printf("%.2f; %.2f; %.2f; %.2f; %.2f; %.2f\n\\r",IEA_i,IEA_d, max_sobrepaso_i, max_sobrepaso_d, EA_max_i, EA_max_d); putsUART1("============\n\r"); }

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Código fuente 227

}

} //Fin while //FIN DE MAIN

//============================================================== // FUNCIONES DE USUARIO //============================================================== void PARAR_IZQUIERDA(void) { PWM1A=0; // (0,0) Freno a GND PWM1B=0; DCI=2000; // Freno a tope return; } void PARAR_DERECHA (void) { PWM2A=0; PWM2B=0; DCD=2000; return;

//Freno a tope

} void detener(void) { PARAR_IZQUIERDA(); PARAR_DERECHA(); return; } void hacia_delante(void) { PWM1A=1; PWM1B=0; //Izquierda adelante PWM2A=1; PWM2B=0; //Derecha adelante return; } void hacia_atras(void) { PWM1A=0; PWM1B=1; //Izquierda atrás PWM2A=0; PWM2B=1; //Derecha atrás return; } void spin_izquierda(void) { PWM1A=0; PWM1B=1; //Izquierda atrás PWM2A=1; PWM2B=0; //Derecha adelante return;

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Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT } void spin_derecha(void) { PWM1A=1; PWM1B=0; //Izquierda adelante PWM2A=0; PWM2B=1; //Derecha atrás return; } int CALCULAR_PULSOS (int mm) { int pulsos=0; pulsos= mm*FACTOR_PULSOS_POR_MM; return (pulsos); }

//Longitud_rueda*Factor_Reductora*CPR

void putUART1(char c) { while ( U1STAbits.UTXBF); // wait while Tx buffer full U1TXREG = c; } void putsUART1 (char* s)//( char *s) { unsigned int i=0; while(s[i]) // loop until *s == ‘\0’, end of string putUART1(s[i++]); // send the character and point to the next one } void rafaga_100(unsigned int num_destellos) { unsigned int i; for (i=0;i<=num_destellos; i++) { LATAbits.LATA4=1; __delay_ms(100); LATAbits.LATA4=0; __delay_ms(100); } } /********** FUNCIONES PILA DE ORDENES DE MOVIMIENTO ***************/ /* Es una cola FIFO mediante lista enlazada de órdenes de movimiento. La alternativa sería un buffer circular: http://es.wikipedia.org/wiki/Buffer_circular En el buffer los elementos son contiguos, y no se necesita indicar la posición del siguiente; Las órdenes son un tipo de dato estructura con campos. La cola es una estructura con dos punteros: - MOVsiguiente apunta al primer elemento - ULTIMO apunta al último elemento - Cuando la lista queda vacía debe activarse FLAGSROBOTS.pilamovvacia */ void iniciar_COLA (cola* COLA) { COLA->inicial=NULL; COLA->final= NULL; COLA->numelem=0; FLAGSROBOT.colamovvacia=1; FLAGSROBOT.colamovllena=0;

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Código fuente 229 putsUART1("Cola iniciada. Vacia\n\r"); }

ORDEN_MOV* crear_ORDEN_MOV (int orden_recibida[]) //en rutina de recepción, cargar parametros de comando MOV { ORDEN_MOV* nueva_orden; nueva_orden=(ORDEN_MOV*)malloc(sizeof(ORDEN_MOV)); if (nueva_orden==NULL) {putsUART1("ERR1"); return(0); } nueva_orden->v_orden=orden_recibida[0]; nueva_orden->fipunto_orden=orden_recibida[1]; nueva_orden->S_orden=orden_recibida[2]; nueva_orden->fi_orden=orden_recibida[3]; nueva_orden->t=orden_recibida[4]; nueva_orden->sig=NULL; //nueva_orden->relleno=0; //Para ocupar 16 posiciones return (nueva_orden); }

void alojar_ORDEN_MOV (cola* COLA_AUX, ORDEN_MOV* nueva_orden) { ORDEN_MOV* ultimo_actual;

//pivote

if(FLAGSROBOT.colamovllena) {putsUART1("Err2\n\r"); return; }

//menos enrevesado

if (FLAGSROBOT.colamovvacia) //anotar elemento como inicio y fin COLA_AUX->inicial=nueva_orden; else { ultimo_actual=(COLA_AUX->final); (ultimo_actual->sig) =nueva_orden; }

//cargo el actual último //

COLA_AUX->final=nueva_orden; (COLA_AUX->numelem)++; putsUART1("Nueva OM\n\r"); FLAGSROBOT.colamovvacia=0; if ((COLA_AUX->numelem)>=MAX_ELEM_COLA_MOV) { FLAGSROBOT.colamovllena=1; putsUART1("Cola Mov llena\n\r"); } }

ORDEN_MOV* extraer_ORDEN_MOV(cola* COLA_AUX) { ORDEN_MOV* temporal; if((COLA_AUX->numelem)<=0) {putsUART1("Err3\n\r");

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Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT return (NULL); } temporal=COLA_AUX->inicial; (COLA_AUX->inicial)=(temporal->sig); //Paso a primer lugar el 2º (COLA_AUX->numelem)--; putsUART1("OM extraida\n\r"); FLAGSROBOT.colamovllena=0; if((COLA_AUX->numelem)<=0) { FLAGSROBOT.colamovvacia=1; COLA_AUX->final=NULL; putsUART1("Cola vacia\n\r"); } return(temporal); //OJO UNA VEZ USADO DEBE ELIMINARSE LA ORDEN EXTRAIDA //donde corresponda: free(ORDEN_MOV) }

void demo_cola (int orden_recibida[]) { int i,j,numero; ORDEN_MOV* nueva_orden; j=10; while (!FLAGSROBOT.colamovllena) { nueva_orden=crear_ORDEN_MOV (orden_recibida); alojar_ORDEN_MOV(&COLA_MOV,nueva_orden); printf("Ordenes COLA_MOV: %d\r\n",COLA_MOV.numelem); __delay_ms(5); for (i=0;i<5;i++) orden_recibida[i]+=j; j=j+10; //contador para ir cambiando el contenido de las órdentes de mov } numero=0; while (!FLAGSROBOT.colamovvacia) { extraida= extraer_ORDEN_MOV(&COLA_MOV); orden_recibida[0]=((extraida->v_orden)+numero); orden_recibida[1]=((extraida->fipunto_orden)+numero); orden_recibida[2]=((extraida->S_orden)+numero); orden_recibida[3]=((extraida->fi_orden)+numero); orden_recibida[4]=((extraida->t)+numero); free(extraida); Nop(); for(i=0;i<5;i++) {printf("orden_recib %d = %d\n\r",(COLA_MOV.numelem+1),orden_recibida[i]); } } }

int extraer_mensaje (int* p_i) { // Extrae el entero de la cadena de caracteres entre i y ',' ó ']' /* ----------DESCRIPCIÓN: --------------------------------------------------*/ // Función que lee el array mensaje desde la posición apuntada por p_i hasta // que se encuentra un delimitador de submensaje: ',' ó ']'.

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Código fuente 231 // // // // //

Captura los caracteres (dígitos decimales), los ordena, añade \0 al fin del array, se lo pasa a atoi y devuelve el enteroque representan. NOTA: atoi(cadena[]) con cadena: [espacios][signo]dato. ¡dato terminado en '\0'! int i; int j; int dato_extraido=0; //char temporal[long_max]; char dato_mensaje[long_max]; i=*p_i; //necesito que los cambios en i sean globales

if ((mensaje[i]==',')||(mensaje[i]==']')) //Campo V vacío->rotacion {dato_extraido=0;} // i queda en , else { for(j=0;j<long_max;j++) //Limpio el array {dato_mensaje[j]=0;} j=0; while ((mensaje[i]!=',')&&(mensaje[i]!=']')&&(j<(long_max-1))) {dato_mensaje[j]=mensaje[i]; j++; i++; } //i queda en , y j en el num de caract válidos i++; //Hago que i quede en siguiente submensaje *p_i=i; //Saco el valor de i dato_extraido=atoi(dato_mensaje); } return(dato_extraido); }

void ejecutar_ORDEN_MOV(ORDEN_MOV* orden_siguiente) { int parametros[5]; float FactorDI; float t1; float S_para_Vi,Si_med; float S_para_Vd,Sd_med; V_orden=orden_siguiente->v_orden; Fipunto_orden=orden_siguiente->fipunto_orden; S_orden=orden_siguiente->S_orden; Fi_orden=orden_siguiente->fi_orden; t=orden_siguiente->t; free(orden_siguiente); printf("MOV[%d,%d,%d,%d,%d]\n\r", V_orden, Fipunto_orden, S_orden, Fi_orden,t); //Filtrado de casos: Vi_orden S_orden; Fipunto_orden Fi_orden; MISMO SIGNO if ((V_orden<0)||(S_orden<0)) { V_orden=-abs(V_orden);

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Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT S_orden=-abs(S_orden); } if ((Fipunto_orden<0)||(Fi_orden<0)) { Fipunto_orden=-abs(Fipunto_orden); Fi_orden=-abs(Fi_orden); } //Filtrado de valores if (V_orden> V_orden_MAX){V_orden=V_orden_MAX;} if (V_orden< -V_orden_MAX) {V_orden= -V_orden_MAX;}

if (Fipunto_orden>Fipunto_orden_MAX){Fipunto_orden=Fipunto_orden_MAX;} if (Fipunto_orden<-Fipunto_orden_MAX){Fipunto_orden=Fipunto_orden_MAX;} if (t<0) {t=-t;}

//t siempre >=0

//Decodificar el tipo de movimiento que se manda caso_movimiento_actual=0; if ((V_orden!=0)&&(Fipunto_orden==0)&&(S_orden!=0)) //Sólo es caso particular de GENERAL caso_movimiento_actual=3; //Recto por distancia, gestionado como GENERAL if ((V_orden!=0)&&(Fipunto_orden==0)&&(S_orden==0)&&(t!=0)) caso_movimiento_actual=2; //Recto por tiempo if ((V_orden!=0)&&(Fipunto_orden!=0)) //GENERAL caso_movimiento_actual=3;

//Curvo general

if ((V_orden==0)&&(Fipunto_orden!=0)&&(Fi_orden!=0)) caso_movimiento_actual=3; //Spin por ángulo, adaptado en general if ((V_orden==0)&&(Fipunto_orden!=0)&&(Fi_orden==0)&&(t!=0)) caso_movimiento_actual=5; //Spin por tiempo switch (caso_movimiento_actual) { case 0: putsUART1("Movimiento no reconocido\r\n"); break; case 1:

/*--- RECTO POR DISTANCIA ---*/

break; case 2:

/*--- RECTO POR TIEMPO ---*/

break; case 3:

/*--- CURVO GENERAL ---*/ putsUART1("MOV GENERAL\n\r"); Vi_orden=V_orden (int)(Fipunto_orden*RADIANESporGRADOporBMED); Vd_orden=V_orden +(int)(Fipunto_orden*RADIANESporGRADOporBMED); Filtrado_Vi_Vd_orden();

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Código fuente 233 if (S_orden !=0) //Mov general { Si_orden= (2*S_orden*Vi_orden)/(Vi_orden+Vd_orden); Sd_orden= 2*S_orden-Si_orden; //(2*S_orden*Vd_orden)/(Vi_orden+Vd_orden); } else //Spin { Sd_orden= Fi_orden*RADIANESporGRADOporBMED*FACTOR_DESLIZAMIENTO_defecto; Si_orden= -Sd_orden; } FactorDI=Vd_orden/Vi_orden; //Calcular_PREMOVE() //Aquí juzgo si tendremos TRAPECIO o TRIANGULO //El lado rápido acelera a ACELERACIÓN. El lento, proporcional. if (V_orden<0) { putsUART1("General marchatras \n\r"); if (Fipunto_orden>0) //Vd_orden>Vi_orden { Ad_mmps=-(A_mmps*(Vd_orden/Vi_orden)); Ai_mmps=-A_mmps; } else{ Ad_mmps=-A_mmps; Ai_mmps=-(A_mmps*(Vi_orden/Vd_orden)); } } else if (V_orden>0) { putsUART1("General adelante \n\r"); if (Fipunto_orden>=0) //Vd_orden>Vi_orden { Ad_mmps=A_mmps; Ai_mmps=A_mmps*(Vi_orden/Vd_orden); } else{ Ad_mmps=A_mmps*(Vd_orden/Vi_orden); Ai_mmps=A_mmps; } } else //(V_orden==0), SPIN { if (Fipunto_orden>0) { Ad_mmps=A_mmps; Ai_mmps=-A_mmps; } else if (Fipunto_orden<0) { Ad_mmps=-A_mmps; Ai_mmps=A_mmps; } } t1=Vi_orden/Ai_mmps;//fabsf(Vi_orden/Ai_mmps);

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Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT //T1 son s, igual para i que para d S_para_Vi=0.5*Vi_orden*t1; //fabsf(0.5*Vi_orden*t1); S_para_Vd=0.5*Vd_orden*t1; //fabsf(0.5*Vd_orden*t1); Si_med=0.5*Si_orden; Sd_med=0.5*Sd_orden; if (fabsf(Si_med)>fabsf(S_para_Vi)) { perfil=TRAPECIO; S1_i=S_para_Vi; S1_d=S_para_Vd; S2_i=Si_orden-(2*S1_i); //Trapecio

simétrico S2_d=Sd_orden-(2*S1_d); S3_i=S1_i; S3_d=S1_d; } else { perfil=TRIANGULO; S1_i=S2_i=Si_med; //Triángulo isósceles S1_d=S2_d=Sd_med; } fase_perfil_i=ACELERANDO; fase_perfil_d=ACELERANDO; //pos_acumulada_i=0; //pos_acumulada_d=0; Vbase_i=0; Vbase_d=0; Vcontrol_i=0; Vcontrol_d=0; Incremento_Vbase_i=Ai_mmps*Delta_t;

//Sumo en

Incremento_Vbase_d=Ad_mmps*Delta_t;

//Sumo en

cada ciclo ACELERANDO cada ciclo ACELERANDO Vconsigna_i=Vbase_i+Vcontrol_i; Vconsigna_d=Vbase_d+Vcontrol_d; Desplazamiento_mm_i (S1_i,0); Desplazamiento_mm_d (S1_d,0);

//MAX1CNT= CALCULAR_PULSOS ((int)S1_i); //MAX2CNT= CALCULAR_PULSOS ((int)S1_d); Gestionar_DCI (0); Gestionar_DCD (0); //DCI=0; //DCD=0; if (FLAGSROBOT.log_ON==1) { Evaluar_pos1_abs(); Evaluar_pos2_abs(); Calcular_cinematica (&CINEMATICA_i, pos1_abs); Calcular_cinematica (&CINEMATICA_d, pos2_abs); Calcular_cinematica_ROBOT

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Código fuente 235 (&CINEMATICA_i,&CINEMATICA_d, &VICBOT); Registrar_datos(); } HABILITAR_INTERRUP_QEI1(); HABILITAR_INTERRUP_QEI2(); ENCENDER_TIMER1(); HABILITAR_INTERRUP_TMR1(); break;

case 4:

/*--- SPIN POR ÁNGULO ---*/

break; case 5:

/*--- SPIN POR TIEMPO ---*/

break; } return; }

float calcularV (int DC) { //Da la velocidad estacionaria obtenida en lazo abierto, recto, con DC //Según regresión (1)en Vicbot.h //V con signo, extrapolo simétrico en DC<0 float V; if (abs(DC)<=(int)B2) {V=0;} else { if (DC<-B2) {V=A1*DC-B1;} else {V=A1*DC+B1;} } return (V); } int calcularDC (float V) { //Da el DC que en lazo abierto da velocidad V en mm/s //Según regresión (2)en VicBot.h //DC para cargar en registro (sólo positivo) MODIFICADO: tanto *comoint DC; if (V==0) {DC=0;} else if (V>0) {DC=(int)(A2*V+B2);} else if (V<0) {DC=(int)(A2*V-B2);} return (DC); } int convertir_mmps_a_ppc (int mmps) {

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Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT int ppc; ppc=(int) mmps*FACTOR_PULSOS_POR_MM * Delta_t; return (ppc); } int convertir_ppc_a_mmps (int ppc) { int mmps; mmps=(int) ppc/(FACTOR_PULSOS_POR_MM * Delta_t); return (mmps); } void Desplazamiento_mm_i (int mm, int mm_origen) { //Carga pulsos en QEI1 según magnitud y signo de desplazamiento //Para cargar valores absolutos, proporciono origen en mm int aux; aux=mm+mm_origen; if (mm>=0) //Conteo ascendente { MAX1CNT=CALCULAR_PULSOS (aux); POS1CNT=mm_origen; MAX1CNT_COPIA=(int)MAX1CNT; //Lo uso para pos_acumulada } else //Conteo descendente { POS1CNT=CALCULAR_PULSOS (-aux); //En conteo descendente, cuando POS=0, carga POS=MAX. MAX1CNT=POS1CNT+1; MAX1CNT_COPIA=(int)POS1CNT; //Lo uso para pos_acumulada } }

void Desplazamiento_mm_d (int mm, int mm_origen) { //Carga pulsos en QEI2 según magnitud y signo de desplazamiento //Para cargar valores absolutos, proporciono origen en mm int aux; aux=mm+mm_origen; if (mm>=0) //Conteo ascendente { MAX2CNT=CALCULAR_PULSOS (aux); POS2CNT=mm_origen; MAX2CNT_COPIA=(int)MAX2CNT; } else //Conteo descendente { POS2CNT=CALCULAR_PULSOS (-aux); //En conteo descendente, cuando POS=0, carga POS=MAX. MAX2CNT=POS2CNT+1; MAX2CNT_COPIA=(int)POS2CNT; } }

void Gestionar_DCI (int valor_DCI) { //Carga en el registro DCI velocidad y pone salidas según sentido

Izcara Autillo, Vicente

Código fuente 237 if (valor_DCI>=0) { DCI=valor_DCI; PWM1A=1; PWM1B=0; } else { DCI=-valor_DCI; PWM1A=0; PWM1B=1; } }

void Gestionar_DCD (int valor_DCD) { //Carga en el registro DCD velocidad y pone salidas según sentido if (valor_DCD>=0) { DCD=valor_DCD; PWM2A=1; PWM2B=0; } else { DCD=-valor_DCD; PWM2A=0; PWM2B=1; } } void Filtrado_Vi_Vd_orden(void) { //Escala dentro de rango las velocidades, manteniendo su relación if (Vi_orden> V_orden_MAX) { Vd_orden=Vd_orden*(V_orden_MAX/Vi_orden); Vi_orden=V_orden_MAX; } if (Vd_orden> V_orden_MAX) { Vi_orden=Vi_orden*(V_orden_MAX/Vd_orden); Vd_orden=V_orden_MAX; } if (Vi_orden< -V_orden_MAX) { Vd_orden=Vd_orden*(-V_orden_MAX/Vi_orden); Vi_orden= -V_orden_MAX; } if (Vd_orden< -V_orden_MAX) { Vi_orden=Vi_orden*(-V_orden_MAX/Vd_orden); Vd_orden= -V_orden_MAX; } }

void Cargar_var_defecto (void) { Kp_i= Kp_i_defecto; Ki_i= Ki_i_defecto; Kd_i= Kd_i_defecto;

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Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT Kp_d= Kp_d_defecto; Ki_d= Ki_d_defecto; Kd_d= Kd_d_defecto; FLAGSROBOT.activado=1; FLAGSROBOT.movencurso=0; FLAGSROBOT.control_ON=1; FLAGSROBOT.log_ON=1; A_mmps=ACELERACION_mmps_defecto; } //-------

PID

-------

void Cargar_kCoeffs (void) { kp_i=Kp_i; de (Kp,Ki,Kd,delta_t) ki_i=Ki_i*Delta_t; kd_d=Kd_i/Delta_t;

//Algoritmo U=PID(kp,ki,kd) en vez

kp_d=Kp_d; ki_d=Ki_d*Delta_t; kd_d=Kd_d/Delta_t; kCoeffs_i [0]=_Q15ftoi( kp_i/escala_K); kCoeffs_i [1]=_Q15ftoi( ki_i/escala_K); kCoeffs_i [2]=_Q15ftoi( kd_i/escala_K); kCoeffs_d [0]=_Q15ftoi( kp_d/escala_K); kCoeffs_d [1]=_Q15ftoi( ki_d/escala_K); kCoeffs_d [2]=_Q15ftoi( kd_d/escala_K); }

void Evaluar_pos1_abs(void) //Calcula la posicion absoluta con Pos_acumulada y POSx ó MAXx según signo Vx_orden { if (Si_orden>=0) { pos1_abs= (int) POS1CNT+ pos_acumulada_i; } else { pos1_abs= -((MAX1CNT_COPIA-(int)POS1CNT)+ pos_acumulada_i); } } void Evaluar_pos2_abs(void) { if (Sd_orden>=0) { pos2_abs= (int) POS2CNT+ pos_acumulada_d; } else { pos2_abs= -((MAX2CNT_COPIA-(int)POS2CNT)+ pos_acumulada_d); }

Izcara Autillo, Vicente

Código fuente 239 } void Calcular_cinematica (cinematica * bloque, int pos) { //Realiza una iteración de cálculo cinemático de un bloque //La estructura debió ser cuidadosamente inicializada //Llamadas: para I: Calcular_cinematica (CINEMATICA_i, (int) POS1CNT); // para D: Calcular_cinematica (CINEMATICA_d, (int) POS2CNT); bloque->posicion_1=bloque->posicion; bloque->posicion= pos; //Aquí espera lectura de POSxCNT bloque->S=(float)(bloque->posicion-bloque>posicion_1)/FACTOR_PULSOS_POR_MM; bloque->V_1=bloque->V; bloque->V=(float) (bloque->S)*Inv_Delta_t; bloque->A=(float) ((bloque->V)-(bloque->V_1))*Inv_Delta_t; } void Calcular_cinematica_ROBOT (cinematica * bloque_i, cinematica* bloque_d, cinematica_robot* ROBOT) { //Realiza una iteración de cálculo cinemático del robot //La estructura debe ser cuidadosamente iniciada //Llamada Calcular_cinematica_ROBOT (CINEMATICA_i,CINEMATICA_d, VICBOT); ROBOT->V_1=ROBOT->V; ROBOT->V=(float) (bloque_i->V + bloque_d->V)/2; ROBOT->Fipunto= (float) ((bloque_d->V - bloque_i->V)*180/(b*PI)); ROBOT->A = (ROBOT->V- ROBOT->V_1)*Inv_Delta_t; }

void Saturacion_consignas (void) { if (Vconsigna_i > V_orden_MAX) { Vconsigna_i=V_orden_MAX; putsUART1("Vconsigna_i saturada +\n\r"); } if (Vconsigna_i< -V_orden_MAX) { Vconsigna_i=-V_orden_MAX; putsUART1("Vconsigna_i saturada -\n\r"); } if (Vconsigna_d>V_orden_MAX) { Vconsigna_d=V_orden_MAX; putsUART1("Vconsigna_d saturada +\n\r"); } if (Vconsigna_d< -V_orden_MAX) { Vconsigna_d=-V_orden_MAX; putsUART1("Vconsigna_d saturada -\n\r"); } }

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Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

void Evaluar_indicadores (void) { EVi=(float)(Vbase_i)-CINEMATICA_i.V; EVd=(float)(Vbase_d)-CINEMATICA_d.V; //EIA IEA_i+= fabsf(EVi*Delta_t); //Indicador de desempeño IEA_d+= fabsf(EVd*Delta_t); //Sobrepaso max //Izquierda if ((Vi_orden>=0)&&(EVi<0)&&(EVi< max_sobrepaso_i)) { max_sobrepaso_i=EVi; } else { if ((EVi>0)&&(EVi> max_sobrepaso_i)) { max_sobrepaso_i=EVi; } } //Derecha if ((Vd_orden>=0)&&(EVd<0)&&(EVd< max_sobrepaso_d)) { max_sobrepaso_d=EVd; } else { if ((EVd>0)&&(EVd> max_sobrepaso_d)) { max_sobrepaso_d=EVd; } } //Error absoluto max if (fabsf(EVi)>fabsf(EA_max_i)) {EA_max_i=fabsf(EVi);} if (fabsf(EVd)>fabsf(EA_max_d)) {EA_max_d=fabsf(EVd);} }

void Iniciar_variables (void) { //Variables que se reinician para cada movimiento EVi=0; EVd=0; IEA_i=0; IEA_d=0; max_sobrepaso_i=0; max_sobrepaso_d=0; EA_max_i=0; EA_max_d=0; pos_acumulada_i=0; pos_acumulada_d=0; contador_variables=0;

Izcara Autillo, Vicente

Código fuente 241 tiempo=0; FLAGSROBOT.registro_datos_lleno=0; Reset_cinematica(&CINEMATICA_i);

//Quitar si hay ordenes

Reset_cinematica(&CINEMATICA_d); Reset_cinematica_robot(&VICBOT);

//Idem //Idem

seguidas } void Registrar_datos (void) { // Almacena en array // Requiere que código de llamada refresque al menos: // Evaluar_pos1_abs(); // Evaluar_pos2_abs(); // Calcular_cinematica (&CINEMATICA_i, pos1_abs); // Calcular_cinematica (&CINEMATICA_d, pos2_abs); // Calcular_cinematica_ROBOT (&CINEMATICA_i,&CINEMATICA_d, &VICBOT); variables1[contador_variables][0]=tiempo; variables1[contador_variables][1]=pos1_abs;//(int)POS1CNT// Saco directamente la total variables1[contador_variables][2]=pos2_abs;//(int)POS2CNT; variables1[contador_variables][3]=Vbase_i;//(int) DCI; //¡¡¡¡¡OJO A QUE EN PRIMERA ITERACION SEA 0!!! variables1[contador_variables][4]=Vbase_d;//(int) DCD; variables1[contador_variables][5]=Vcontrol_i; variables1[contador_variables][6]=Vcontrol_d; variables1[contador_variables][7]=CINEMATICA_i.V; variables1[contador_variables][8]=CINEMATICA_d.V; //VICBOT.Fipunto; contador_variables++; tiempo+=25; if(contador_variables>=200) { FLAGSROBOT.registro_datos_lleno=1; } }

void Reset_cinematica (cinematica *puntero) { // Resetea historial de cinematica. Quitar de Iniciar_variables si Ordenes seguidas.. puntero->posicion=0; puntero->posicion_1=0; puntero->S=0; puntero->V=0; puntero->V_1=0; puntero->A=0; }

void Reset_cinematica_robot(cinematica_robot *puntero) { puntero->V=0; puntero->V_1=0; puntero->Fipunto=0; puntero->A=0; }

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242

Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

//============================================================ // FUNCIONES RECEPCIÓN Y GESTIÓN COMANDOS //============================================================ /* FORMATO ENVÍO: $MOV[

,Fipun,

, Fi , t ]#

Descripción: comando de orden de movimiento. $WHO# Descripción: comando de orden de identificacion $SET[Var, Valor]# Descripción: comando para anotar parámetro Parámetros admitidos: Kp_i

Ganancia proporcional PID izquierda

Ki_i

Ganancia integral PID izquierda

Kd_i

Ganancia derivativa PID izquierda

Kp_d

Ganancia proporcional PID derecha

Ki_d

Ganancia integral PID derecha

Kd_d

Ganancia derivativa PID derecha

A_mmps Aceleración para rampas de velocidad $LOG ON# $LOG OFF# $CTRL ON# $CTRL OFF# $ASK[Var]# Descripción: comando consulta de parámetros o variables Parámetros admitidos: mismos que para SET $SQR[Vsqr,Fipunto_sqr,lado_sqr]# $CIR[Vcir,radio_cir]#

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Índice de Ilustraciones

243

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Arquitectura sensor-control-actuador....................................................................... 17 Ilustración 2. Esquema básico de arquitectura basada en pizarra ............................................... 18 Ilustración 3. Competencias verticales de arquitecturas clásicas ................................................... 20 Ilustración 4. Enfoque horizontal de la arquitectura Subsumption ............................................... 20 Ilustración 5. Capas de comportamiento de la arquitectura Subsumption ................................... 21 Ilustración 6. Robot XD Eurobot 2011.............................................................................................. 33 Ilustración 7. Dimensiones en planta según normativa ................................................................... 34 Ilustración 8. Altura permitida según normativa ............................................................................ 35 Ilustración 9. Configuración Ackerman ........................................................................................... 36 Ilustración 10. Configuración tipo triciclo ........................................................................................ 37 Ilustración 11. Configuración diferencial ......................................................................................... 38 Ilustración 12. Robot AURIGA, universidad de Málaga ................................................................ 39 Ilustración 13. Configuración de ruedas síncronas .......................................................................... 39 Ilustración 14.Rueda sueca u omnidireccional ................................................................................. 40 Ilustración 15. Robot omnidireccional .............................................................................................. 40 Ilustración 16. Plataforma robótica diseñada .................................................................................. 45 Ilustración 17. Pieza P3 ...................................................................................................................... 47 Ilustración 18. Pieza P4 ...................................................................................................................... 47 Ilustración 19. Pieza P5 ...................................................................................................................... 48 Ilustración 20. Pieza P6 ...................................................................................................................... 48 Ilustración 21. Bloque motor ............................................................................................................. 49 Ilustración 22. Vista explosionada de un bloque motor................................................................... 49 Ilustración 23. Esquema de un motor de corriente contínua. Fuente:[]......................................... 51 Ilustración 24. Esquema circuito encóder motor ............................................................................. 54 Ilustración 25. Robot Edubot (CARTIF) .......................................................................................... 57 Ilustración 26. Distintos formatos de placa de ordenador embebido ............................................ 57 Ilustración 27. Ordenador embebido Raspberry Pi......................................................................... 58 Ilustración 28. Diagrama de bloques del posicionamiento por odometría ..................................... 63 Ilustración 29. Entorno de desarrollo Proteus ISIS ......................................................................... 64 Ilustración 30. Placa electrónica de control de tracción ................................................................. 66 Ilustración 31. PCB para placa de control de tracción ................................................................... 67 Ilustración 32. Decapado de la PCB .................................................................................................. 69 Ilustración 33. Descripción de la placa de control de tracción. ...................................................... 70 Ilustración 34. Entrada/salida universal ........................................................................................... 72 Ilustración 35. Configuraciones posibles de la entrada/salida universal........................................ 72 Ilustración 36. Conector ICSP y jumpers para configuración de la placa..................................... 73 Ilustración 37. Adaptador USB / serie CP2102, zócalo y jumpers para configuración de la placa ..................................................................................................................................................... 74 Ilustración 38. Módulo inalámbrico wixel ........................................................................................ 75 Ilustración 40. Placa de potencia Dual VNH2SP30 de Pololu ......................................................... 77 Ilustración 41. Circuito de aplicación típica para VNH2SP30. Datasheet pag. 8 .......................... 79 Ilustración 42. Placa de accionamientos en el entorno software Proteus-ARES ........................... 81 Ilustración 43. Placa de accionamientos, mandos y terminales de carga ....................................... 81 Ilustración 44. Batería Li-po de potencia con circuito monitor de tensión .................................... 84 Ilustración 45. Diagrama de la familia dsPIC. Fuente: web de Microchip (www.microchip.com) ..................................................................................................................................................... 89 Ilustración 46. Logo del entorno de desarrollo MPLAB IDE de Microchip .................................. 94 Ilustración 47. Estructura de archivos de un proyecto en MPLAB ............................................... 95

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Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

Ilustración 48. Flujo de datos a través de las herramientas software. Tabla 1-1 de la guía de uso del compilador. .......................................................................................................................... 96 Ilustración 49. Diagrama de bloques del oscilador. Fuente: figura 9-1 de DS70291E pag. 146. 103 Ilustración 50. Esquema de configuración del oscilador con PLL ............................................... 105 Ilustración 51. Estructura típica de un puerto que comparte patilla con un periférico. Fuente: Figura 1.1 de DS70291E ......................................................................................................... 106 Ilustración 52. Funciones asignadas a las patillas del dsPIC ....................................................... 108 Ilustración 53. Diagrama de bloques del Timer 1. Fuente: Figura 12.1 de DS70291 ................. 108 Ilustración 54. Multiplexado de la entrada U1RX del periférico UART desde distintas patillas del micro. Fuente: Figura 11-2 de DS70291E ....................................................................... 110 Ilustración 55. Multiplexado de una patilla de salida desde varios periféricos. Fuente: Figura 11-3 de DS70291E ................................................................................................................... 111 Ilustración 56. Diagrama de bloques del módulo PWM de 6 canales (PWM1). Fuente: figura 161 de DS70291 ........................................................................................................................... 113 Ilustración 57. Resolución y sincronismo según PxTMR y PxDCY en modo "Free running" y prescaler 1:1. Fuente: Figura 14-15 de Family Reference Manual..................................... 116 Ilustración 58. Lógica de comparación del ciclo activo (Duty Cycle). Fuente: figura 14-16 de Family Reference Manual. ..................................................................................................... 116 Ilustración 59. Simulación con MPLABSIM de señales PWM para la configuración realizada. .................................................................................................................................................. 117 Ilustración 60. Diagrama de bloques simplificado de un módulo QEI. Fuente: figura 15-2 de DS70208. .................................................................................................................................. 120 Ilustración 61. Modelo para el programador del QEI .................................................................. 120 Ilustración 62. Propagación de señal a través de filtro. Fuente: Figura 4 DS93002A ................ 125 Ilustración 63. Señales del encóder en modo x4. Fuente: figura 5 de DS93002A. ....................... 126 Ilustración 64. Diagrama de bloques simplificado de puerto UART. Fuente: figura 17-1 de DS70188D ................................................................................................................................ 127 Ilustración 65. Tabla de vectores de interrupción. Fuente: figura 7-1 de DS70291E ................. 132 Ilustración 66. Diagrama de flujo rutina principal ....................................................................... 137 Ilustración 67. Rutina de interrupción por recepción de caracteres en UART1 ....................... 139 Ilustración 68. Segmentos del perfil de velocidades en el control de posición. ............................ 143 Ilustración 69. Rutina de interrupción periódica por Timer 1 ..................................................... 144 Ilustración 70. Rutina de interrupción QEI por pulsos de encóder ............................................. 145 Ilustración 71. Implementación del algoritmo PID. ...................................................................... 146 Ilustración 72. Representación de 16 bits en coma fija Q15 ......................................................... 147 Ilustración 73. Vista lateral del modelo 3D del robot .................................................................... 151 Ilustración 74. Vista lateral del robot ............................................................................................. 151 Ilustración 75. Vista isométrica del robot....................................................................................... 152 Ilustración 76. Imagen isométrica del modelo ............................................................................... 152 Ilustración 77. Vista en planta del modelo 3D del robot. .............................................................. 153 Ilustración 78. Vista en planta del robot. ....................................................................................... 153 Ilustración 79. Montaje de pruebas sobre maletín "universal trainer" ...................................... 155 Ilustración 80. Pulsos PWM para DC= 50% y distintos períodos ................................................ 156 Ilustración 81. Captura del video realizado con la prueba de módulos PWM y QEI ................ 157 Ilustración 82. Placa electrónica de control de tracción................................................................ 158 Ilustración 83. Posición final de robot. Distancia: 1m. Velocidad 50% ....................................... 159 Ilustración 84. Posición final. Distancia 1m.V: 50% frenado activo ........................................... 160 Ilustración 85. Respuesta en lazo abierto a escalón del 15% DCmax. Libre .............................. 161 Ilustración 86. Respuesta en lazo abierto a escalón del 25% DCmax. Libre .............................. 162 Ilustración 87. Respuesta en lazo abierto a escalón del 38% DCmax. Libre .............................. 162 Ilustración 88. Respuesta en lazo abierto a escalón del 50% DCmax. Libre .............................. 163

Izcara Autillo, Vicente

Índice de Ilustraciones

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Ilustración 89. Respuesta en lazao abierto a escalón del 75% DCmax. Libre ............................. 163 Ilustración 90. Respuesta en lazo abierto a escalón del 100% DCmax. Libre ............................. 164 Ilustración 91. Respuesta en lazo abierto a escalón del 15% DCmax. En carga ......................... 164 Ilustración 92. Respuesta en lazo abierto a escalón del 25% DCmax. En carga ......................... 165 Ilustración 93. Respuesta en lazo abierto a escalón del 38% DCmax. En carga ......................... 165 Ilustración 94. Respuesta en lazo abierto a escalón del 50% DCmax. En carga ......................... 165 Ilustración 95. Respuesta en lazo abierto a escalón del 75% DCmax. En carga ......................... 166 Ilustración 96. Respuesta en lazo abierto a escalón del 100% de DCmax. En carga .................. 166 Ilustración 97. Velocidad estacionaria frente a accionamiento. Libre ......................................... 168 Ilustración 98. Velocidad estacionaria frente a accionamiento . En carga .................................. 168 Ilustración 99. Lazo de control de velocidad. ................................................................................. 169 Ilustración 100. Prueba 1 de ajuste de parámetros PID. ............................................................... 173 Ilustración 101. Prueba 2 de ajuste de parámetros PID ................................................................ 173 Ilustración 102. Prueba 3 de ajuste de parámetros PID ................................................................ 174 Ilustración 103. Prueba 4 de ajuste de parámetros PID ................................................................ 174 Ilustración 104. Prueba 5 de ajuste de parámetros PID ................................................................ 175 Ilustración 105. Prueba 6 de ajuste de parámetros PID ................................................................ 175 Ilustración 106. Prueba 7 de ajuste de parámetros PID ................................................................ 176 Ilustración 107. Prueba 8 de ajuste de parámetros PID ................................................................ 176 Ilustración 108. Prueba 9 de ajuste de parámetros PID ................................................................ 177 Ilustración 109. Prueba 10 de ajuste de parámetros PID .............................................................. 177 Ilustración 110. Prueba 11 de ajuste de parámetros PID .............................................................. 178 Ilustración 111. Prueba 12 de ajuste de parámetros PID .............................................................. 179 Ilustración 112. Prueba 13 de ajuste de parámetros PID .............................................................. 179 Ilustración 113. Comparación entre gobierno en lazo abierto y ajuste del control propuesto... 183

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Índice de Tablas

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Prestaciones del VNH2SP30 ................................................................................................ 78 Tabla 2. Cables eléctricos ................................................................................................................... 85 Tabla 3. Resumen de características del dsPIC33FJ64MC802 de Microchip ............................... 91 Tabla 4. Diagrama de bloques del dsPIC33FJ64MC802. Fuente: Figura 1-1 DS70291E pag.16 ................................................................................................................................................... 100 Tabla 5. Asignación de patillas del dsPIC por sistemas................................................................. 107 Tabla 6. Registro QEIxCON de configuración del QEI. Fuernte: Registro 15-1 de DS70208 ... 121 Tabla 7. Registro DFLTxCON de control del filtro digital para QEI. Fuente: registro 15-2 de DS70208.................................................................................................................................... 122 Tabla 8. Registro UxMODE. Fuente: registro 17-1 de DS70188D ............................................... 128 Tabla 9. Registro UxSTA de control y estado de UART . Fuente: registro 20-2 de DS70291E 129 Tabla 10. Interrupciones utilizadas en las aplicaciones de control del robot .............................. 135 Tabla 11. Comando orden de movimiento ...................................................................................... 140 Tabla 12. Comando anotar variables .............................................................................................. 141 Tabla 13. Comando extraer variables ............................................................................................. 141 Tabla 14. Comandos de modo .......................................................................................................... 141 Tabla 15. Comandos trayectoria básica .......................................................................................... 142 Tabla 16. Resumen de pruebas. Escalón lazo abierto sin carga.................................................... 167 Tabla 17. Resumen de pruebas. Escalón lazo abierto en carga .................................................... 168 Tabla 19. Costes del material electrónico (euros) .......................................................................... 185 Tabla 20. Coste de los componentes mecánicos del robot (euros)................................................ 186 Tabla 21. Coste de los materiales eléctricos del robot ................................................................... 186 Tabla 22. Resumen de costes en materias primas y componentes (euros) ................................... 186 Tabla 23. Costes de amortización .................................................................................................... 187 Tabla 24. Costes por licencias informáticas.................................................................................... 187 Tabla 25. Coste por hora de ingeniero ............................................................................................ 188 Tabla 26. Esfuerzo y coste de M.O. asociados al robot .................................................................. 189 Tabla 27. Costes indirectos y generales ........................................................................................... 190 Tabla 28. Costes totales del proyecto .............................................................................................. 190

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Índice de Ecuaciones

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ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1. Multiplicación MAC ...................................................................................................... 99 Ecuación 2. Frecuencia de oscilador ............................................................................................... 105 Ecuación 3. Resolución de módulo PWM ....................................................................................... 114 Ecuación 4. Configuración del período PWM ................................................................................ 115 Ecuación 5. Tamaño de pulso de encóder mínimo ......................................................................... 125 Ecuación 6. Ajuste de filtro software para módulo QEI ............................................................... 125 Ecuación 7. Cálculo del generador de tasa de bits ......................................................................... 130 Ecuación 8. Composición de la consigna de velocidad................................................................... 170 Ecuación 9. Expresión de acción de control PID en términos de sus componentes .................... 171 Ecuación 10. Integral de error absoluto.......................................................................................... 172

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Referencias 251

REFERENCIAS

[1] EUROBOT http://www.eurobot.org/ [2] Planète Sciences http://www.planete-sciences.org/ [3] Alcabot-Hispabot http://asimov.depeca.uah.es/robotica/ [4] Asociación de Microbótica de la Universidad de Valladolid (AMUVA) http://www.eii.uva.es/amuva [5] ROBOLID http://www.robolid.net

[6] Robot Shakey http://www.ai.sri.com/shakey/

[7] Hayes-Roth http://en.wikipedia.org/wiki/Rick_Hayes-Roth

[8] R.A. Brooks, A robust layered control system for a mobile robot, IEEE journal of Robotics and Automation, Vol. RA-2 No. 1, pp 14-23, marzo 1986 [9] Robot CUBE http://www.iearobotics.com/personal/juan/proyectos/cube-2.0/cube.html#uno [10] Proyecto R4P:Robot cuadrúpedo libre http://www.r4p.es/ [11] Robot Melanie III http://www.mundobot.com/projects/melanie/v3/spmelanie3.htm

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Diseño y Construcción de una Plataforma Robótica Móvil para la Competición EUROBOT

[12] Equipo XD-Francia Eurobot 2011-08-23 http://www.xevel.fr/blog/

[13] Ollero Baturone, A. (2001). ROBÓTICA. Manipuladores y Robots Móviles. Marcombo. [14] Aluminio http://es.wikipedia.org/wiki/Aluminio [15] María José González (2001). Magnetismo y electricidad. Tecnología Industrial II. Departamento de tecnología.IES Dionisio Aguado. [16] Pololu http://www.pololu.com/catalog/product/1443 [17] Player Stage http://playerstage.sourceforge.net

[18] OpenCV http://opencvlibrary.sourceforge.net/ [19] Raspberry Pi http://www.raspberrypi.org/ [20] VNH2SP30 dual MOSFETmotor driver http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITE RATURE/DATASHEET/CD00043711.pdf [21] Microchip Technology Inc. http://www.microchip.com [22] 16-Bits Language Tools Libraries (DS51456G). Microchip Tecnology Inc. (24-01-2012). http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/51456G.pdf [23] 16-Bits Language Tools Getting Started (DS70094E). Microchip Technology Inc. (24-01-2012). http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70094E.pdf

Izcara Autillo, Vicente

Referencias 253

[24] MPLAB® Assembler, Linker and Utilities for PIC24 MCUs and dsPIC® DSCs User.s Guide (DS51317). Microchip Tecnology Inc. (24-01-2012). http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/51317J.pdf

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Escuela de Ingenierías Industriales – Universidad de Valladolid