Robot controlado por Ultrasonido

ÍNDICE.
Resumen.
1. Introducción.
2. Antecedentes.
ROBOT CONTROLADO POR ULTRASONIDO
Fernando Padilla Chávez
clonespawn@hotmail.com
3. Desarrollo.
3.1. Sistema del Sonar.
3.2. Sensores de Ultrasonido (Sonar Ultrasónico).
3.3. Controlador del Sensor.
4. Tarjeta Controladora.
4.1. Motores (rastreo y dirección).
4.2. Controlador de los Motores a pasos.
4.3. Convertidor Analógico – Digital.
4.4. Interfase Periférica Programable 8255
4.5. Circuito decodificador de puertos.
5. Programa del Control.
5.1. Calculo del número de pasos en cada giro.
5.2. Programación del 8255.
5.3. Rastreo del sonar.
5.4. Cálculo y Graficado.
5.5. Elección del mejor camino.
6. Resultados.
6.1 Simulación de Pruebas en varios casos.
6.2 Conclusiones.
7. Referencias Bibliográficas.
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RESUMEN:
Mi proyecto consiste en el diseño y desarrollo de un sistema que le permite a un robot móvil
desplazarse libremente en un lugar que contiene varios obstáculos. Se basa principalmente en
un sonar el cual se mueve constantemente de izquierda a derecha cubriendo un ángulo 270
grados. Por medio del sonar se determina la posición y la anchura del obstáculo y se elige un
camino libre para continuar avanzando. Este proyecto cuenta con tres sistemas principales, el
primero es el Sistema del Sonar, se encargara de transmitir y recibir las ondas de ultrasonido
así como localizar los objetos o el movimiento, el segundo sistema es La tarjeta controladora,
que se encargara del control de los motores a pasos los cuales dan el giro al sistema del sonar y
también al movimiento de avance al robot, el tercer sistema seria el control de estos dos
primeros por medio de un puerto de salida hacia el sistema de una computadora. El siguiente
paso es integrar los componentes usando un microcontrolador.
1).- INTRODUCCION
Actualmente la mayoría de los robot móviles están usando de forma generalizada sonares de
diferentes tipos para la detección de obstáculos, dependiendo el tipo de sonar será el sistema de
control usado. Existen sistemas que usan un “cinturón de sonares” que consiste de un arreglo
de sonares colocados en todo el perímetro del robot móvil, estos sistemas tienen una rápida
respuesta pero resultan costosos, otros sistemas usan un solo sonar y lo hacen girar
constantemente de manera similar al movimiento de un radar. Este trabajo forma parte del
sistema de control de la dirección de un móvil, para que pueda desplazarse libremente evitando
obstáculos.
2).- ANTECEDENTES
Utilicé como principal idea el sistema de navegación de los murciélagos, ya que se emplea
únicamente la emisión y recepción de ultrasonidos, este sistema se puede utilizar para medir
distancias, o controlar el movimiento de objetos, sin necesidad de hacer el uso de algún tipo de
visión, decidí aprovechar este sistema implementándolo en un robot, ya que la robótica es un
tema muy interesante, este proyecto va dirigido a la creación de sistemas de robótica móviles,
muchos de estos diseños son utilizados en dispositivos de reconocimiento o investigación de
áreas, plataformas completas, y en todos aquellos lugares donde la mano del ser humano aun
no tiene alcance alguno.
3). -DESARROLLO
El sistema consta básicamente de tres partes:
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• El sistema del sonar.
• La Tarjeta controladora que genera los pulsos necesarios para mover los motores de pasos y
recibe las señales analógicas provenientes del sonar.
• La computadora que contiene el programa que controla los motores y el sonar.
3.1).- El SISTEMA DEL SONAR
La figura 3.1 muestra el diagrama a bloques del sistema de sonar y cuenta con las siguientes
partes:
• El sensor ultrasónico
• El controlador del sensor
• Motores de rastreo y dirección
Controlador
Sonar
Sonar
Ultrasónico
Motor 1
Rastreo
Motor 2
Dirección
Figura 3.1 Diagrama a bloques del Sistema del Sonar.
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3.2).-SENSORES DE ULTRASONIDO (SONAR ULTRASONICO)
El funcionamiento de un sonar (sensor ultrasónico) es similar al de un radar. Se basa en el
principio de que las ondas viajan a través de un medio a una velocidad constante, mediante la
medición precisa de un pulso de sonido transmitido y la reflexión del mismo en un obstáculo,
es posible determinar la distancia del mismo.
Por medio de un transductor ultrasónico muy direccional se emite un haz localizado en la
banda del ultrasonido (arriba de los 20 Khz.), este haz viaja en línea recta a una velocidad
aproximada de 1500 m/s, cuando se transmite en el agua y a una velocidad de 340 m/s
aproximadamente en el aire, cuando este haz encuentra un objetivo, choca con este y parte del
haz es reflejado produciendo un “eco”, este reflejo es detectado por el sonar (receptor).
La forma del rayo que sale del sensor es cónica con un ángulo total de 15° aproximadamente.
La cara del sonar es de 1.5pulg. De diámetro, como se muestra en la figura 3.2.
Figura 3.2 forma de rayo del sonar.
Conociendo la señal de desplazamiento de la onda emitida y el tiempo transcurrido desde su
emisión, es factible calculable la distancia a la que se halla el obstáculo.
La dirección en la cual se encuentra el obstáculo detectado estará mejor precisada cuanto
mayor sea la directividad del haz, en otras palabras cuanto más estrecho sea el haz de energía
emitido el objeto se detectará con mayor precisión logrando que no se pueda detectar mas que
un obstáculo a la vez.
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La cantidad de sensores de ultrasonido es muy grande, tal que los podemos encontrar muy
pequeños de poco alcance y con rangos muy cortos de 2cm a 20cm y otros mas grandes
alcanzan un rango de 2cm hasta 10m.
Figura 3.3 ejemplo de un sensor de ultrasonido y sus dimensiones.
3.3).- El CONTROLADOR DEL SENSOR
El sistema se ultrasonido usado en este trabajo es modelo 134105 y el cual cuenta con su
tarjeta controladora la cual proporciona un voltaje proporcional a la distancia entre el sensor
del sonar y un objeto, sus especificaciones están dadas en la tabla 3.1.
Tarjeta de Control
Alimentación 12-24 VCC, 40MA
Rango de 6 a 60pulg.
Salida De 0 a 10 VDC linear.
0 VDC = 6pulg.
10 VDC = 60pulg.
SENSOR
Resolución 0.060pulg.
Periodo de medida 50Miliseg. (20 Hz extra)
Tipo del sensor Ultrasónico eléctrico
Frecuencia 50KHZ
Forma del rayo Cónica
Angulo del rayo 15° total 3db hacia a bajo
Tamaño 1.69pulg. de diámetro x 0.5pulg. de profundidad 0.3 OZ
Tabla 3.1 especificaciones del sonar ultrasónico.
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La orientación del ultrasonido deberá ser perpendicular al objeto para mejores resultados. Los
objetos curvos o esféricos no son buenos blancos por lo que son mejores los objetos planos y
perpendiculares al sonar.
Para probar el sensor se coloca un obstáculo en frente de el y se varía la distancia al objeto,
para cada distancia diferente se mide el voltaje proporcionado, con estos datos se obtiene la
ecuación que relaciona el voltaje con la distancia la cual es la siguiente:
Distan cia = ( Voltaje*
5.
4)
+ 6in
4).- TARJETA CONTROLADORA
La Tarjeta Controladora es la encargada de realizar la interfase entre la computadora y el
sensor de ultrasonido y los motores de pasos, esta basada en el conector ISA de 62 terminales.
La tarjeta esta constituida por:
• El controlador de los motores de pasos
• El convertidor analógico-digital
• La interfase periférica programable.
• El Decodificador de puertos
4.1)-. MOTORES DE RASTREO Y DIRECCIÓN
Para producir el movimiento 0scilatorio del sonar y el cambio de dirección se usaron dos
motores de pasos los cuales requieren 200 pulsos por revolución.
De tal manera que el motor de rastreo esta acoplado al sonar, para facilitar el ángulo de rastreo
a 270º aproximadamente y el motor de dirección, será el encargado de dar control total al
vehiculo sobre la superficie que se encuentre, se encargara al movimiento en todas direcciones.
4.2).- EL CONTROLADOR DE LOS MOTORES DE PASOS
El controlador de los Motores a pasos recibe los pulsos TTL de control proporcionados por la
computadora y los amplifica para poder mover los motores de pasos, para el proyecto se
usando dos circuitos ULN2003A, los cuales son amplificadores de corriente tipo H.
Un amplificador controla el motor de rastreo que hace rotar el sonar de 0 a 315 grados y otro
para el motor de dirección. La figura 4.1 nos muestra el diagrama de los controladores de los
motores a pasos.
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Figura 4.1 Controladores de los motores a pasos.
4.3).- EL CONVERTIDOR ANALÓGICO-DIGITAL
El convertidor analógico-digital se encarga de transformar el voltaje proveniente del sonar en
un número digital. El convertidor utilizado es el ADC0804 que es un convertidor de 8 bits y es
compatible con una amplia gama de microprocesadores, requiere de 100 microsegundos para
convertir una entrada analógica de voltaje a una salida de código digital, según su hoja de
especificaciones.
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Figura 4.2 Convertidor analógico digital.
4.4).- LA INTERFASE PERIFÉRICA PROGRAMABLE 8255
La interfase periférica programable (PPI) 8255 es un componente muy popular de bajo costo
para interfaces, que se encuentran en muchas aplicaciones. Esta formada por tres puertos
internos y un registro de configuración, y permite la comunicación con la computadora para
enviar y recibir datos.
El 8255 se programa utilizando la instrucción del lenguaje “C” outport(dir,99H), donde “dir”
es la dirección del registro de configuración y 99 es el código de configuración de los puertos.
El 8255 se configuró como: Puerto A y C como puertos de entrada de datos y el puerto B
como puerto de salida de datos.
El puerto A se usa para la entrada de datos del convertidor analógico digital (ACD0804) estos
datos son la representación de la distancia de un objeto identificado por el sonar. El puerto B
se usa para enviar los pulsos para mover los motores de pasos. El puerto C no se usa en este
diseño.
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Figura 4.3 Interfase periférica programable.
4.5).- EL CIRCUITO DECODIFICADOR DE PUERTOS
Sirve para asignar una dirección de 16 bits a los puertos de la interfase programable y al
convertidor analógico digital, esta basado en un comparador de 8 bits (74LS688) y el
decodificador de 3 a 8 (74ls138).
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Figura 4.4 Decodificador de Puertos.
La asignación de direcciones de puertos queda como se muestra en la tabla 4.1.
Dirección Circuito Puerto
320 H 8255 Puerto A de entrada
321 H 8255 Puerto B de salida
322 H 8255 Puerto C de entrada
323 H 8255 Puerto de configuración
324 H ACD0804 Puerto de lectura
5).- EL PROGRAMA DE CONTROL
Tabla 4.1 Asignación de direcciones de puertos.
Esta formado básicamente por 5 módulos que son:
• Calculo del número de pasos del motor en cada giro.
• Programación del 8255.
• Rastreo del sonar a la Izquierda y Derecha y graficado de las vectores de distancia.
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• Graficado de los caminos libres de obstáculos
• Elección del mejor camino.
INICIO
CALCULAR
NÚMERO DE
PASOS
PROGRAMACION
DEL 8255
REPETIR =
VERDADERO
REPETIR =
VERDADERO
RASTREO A LA
IZQUIERDA
1
SI
2
NO
FIN
Figura 2.7 Diagrama de flujo del programa de control.
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1
REPRESENTAR
CAMINOS
POSIBLES
ROTAR MOTOR 2
A CAMINO MÁS
ÓPTIMO
RASTREO A LA
DERECHA
REPRESENTAR
CAMINOS
POSIBLES
ROTAR MOTOR 2
A CAMINO MÁS
ÓPTIMO
2
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5.1).- CALCULO DEL NÚMERO DE PASOS EN CADA GIRO.
El área de rastreo es de 270 grados y los motores de pasos necesitan 200 pulsos para girar 360
grados.
Entonces para realizar un barrido de 270 grados, se requieren 150 pasos.
5.2).- PROGRAMACIÓN DEL 8255.
La programación de 8255 se logra enviando el dato de configuración 153 en decimal por el
puerto de configuración, con esto el 8255 queda programado de la siguiente forma:
Puerto A como Entrada.
Puerto B como Salida.
Puerto C como Entrada.
Se uso la instrucción en lenguaje C outport(803,153) para programar el 8255.
Una vez determinado el número de pasos y realizado la programación del 8255, la tarjeta
puede generar el movimiento de rastreo del sonar.
5.3).- RASTREO DEL SONAR A LA IZQUIERDA Y A LA DERECHA Y
GRAFICADO DE LOS VECTORES DE DISTANCIA.
El sonar empezará a funcionar a partir del punto inicial de rastreo, y girara a la izquierda hasta
recorrer un ángulo de 270º como se muestra en la figura 5.1.
Los semicírculos representan distancias de 30 cm., 60 cm. 90 cm. y 150 cm. Los semicírculos
detrás del sonar representan el área que no toma en cuenta el sonar
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Fig.5.1 Área de Rastreo.
El módulo Rastreo a la Izquierda y a la derecha realiza las siguientes acciones:
- Activar el sonar y obtener señal del sonar.
- Mover el motor de rotación.
- Representar la señal del sonar en forma de vectores.
Con cada movimiento del motor de rastreo se captura la señal emitidas por el sonar, cada señal
del sonar representa la distancia de cada objeto encontrado en el área de rastreo, todos estos
datos se guardan para después determinar a que distancia se encuentran todos los objetos.
Los siguientes pasos se repiten 150 veces que es el numero de movimientos que hace el motor
para cubrir una área de rastreo de 270 pasos.
1. Activar el convertidor ADC0408
2. Leer la señal del ADC0408
3. Leer y guardar el dato del Puerto A del 8255.
4. Calcular y guardar el grado de rastreo.
5. Calcular y guardar las coordenadas polares x, y.
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6. Graficar el vector de distancia
7. Mover motor a la izquierda
5.4).- CALCULO Y GRAFICADO DE LOS CAMINOS POSIBLES LIBRES DE
OBSTÁCULOS.
Este módulo detecta y grafica todos los posibles caminos por donde puede pasar el móvil
según los obstáculos encontrados.
Un camino posible debe de cumplir:
• Que el objeto este a más de 60cm de distancia respecto al móvil, para que el móvil pueda
variar su dilección.
• Que el ancho del camino posible debe ser mayor al ancho del móvil, que es de 10 cm. de
ancho
De acuerdo a los cálculos un camino libre existe si se tienen más de 12 vectores juntos y
mayores de 60cm, lo cual corresponde a un camino libre de aprox. 11.30cm., lo cual es
suficiente para que pase el móvil, puesto que el ancho del móvil es de 10cm.
Este resultado se obtiene al considerar que 150 movimientos del motor de pasos (rotación)
cubre un rango de 270 grados y corresponden a 150 vectores de distancia, entonces en 12
movimientos del motor de pasos (rotación) cubre un rango 21.6 grados.
El perímetro de un círculo que tiene como diámetro 60cm. es de 188.49cm. Entonces para
barrido de 21.6 grados le corresponde un arco de 11.30cm.
El Pseudo código del Modulo para seleccionar los caminos posibles libres de obstáculos es el
siguiente:
1. Considerar el ancho del móvil
2. Ai le asignamos 0
3. Repetir 151 veces
3.1 si el vector i es mayor igual a la distancia mínima y el vector i+1 también los es y además i
+1 es menor igual a 151
3.2 entonces incrementa el ancho
3.3 en caso contrario verificar el ancho +1 si es mayor igual al ancho del móvil
3.4 si es afirmativo entonces
3.5 paso le asignamos la resta de i+1 menos ancho +1
3.6 aux_mitad le asignamos ancho+1 entre 2
3.7 mitad le asigmanos paso + aux_mitad
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3.8 guardar mitad en pila
3.9 sacamos el valor de los arreglos de la posición mitad
3.10 representar el vector en color rojo con el valor de los arreglos
3.11 ancho le asignamos cero
4. Terminar
5.5).- ELECCIÓN DEL MEJOR CAMINO.
Una vez que ya se tiene todos caminos libres de obstáculos ahora hay que elegir el mejor
camino.
El mejor camino es aquel que genere el menor cambio en la dirección del móvil es decir el que
este mas próximo al centro del área de detección.
En el caso de que no exista un camino libre de obstáculos, el móvil se detendrá y empezara a
retroceder hasta hallar un camino libre.
6).- RESULTADOS.
La figura 6.1, nos muestra el principio de ensamble del proyecto, montaje y ensamble de la
tarjeta de interfaz, este es solo el principio del proyecto, el cual se pretende concluir, la figura
6.2 muestra la tarjeta de interfaz ya terminada
Figura 6.1 proceso de montaje de la Tarjeta de interfaz.
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Figura 6.2 Tarjeta de interfaz.
Con esto se pretende realizar un modelo compacto, ya que seria lo ideal, montaje en baquelita,
protección del circuito contra golpes y contra el paso del tiempo, ya que este es un factor que
nunca tomamos en cuenta, como resultado obtendremos el modelo del robot en optimas
condiciones. La figura 6.3 representa el cuerpo del robot-prototipo de interfaz terminado, el
esquema esta muy sencillo, la figura color gris, es el vehiculo de rastreo, los recuadros verdes
representan los motores de dirección y rastreo, el recuadro azul con semicírculo rojo representa
el sonar ultrasónico, el cono amarillo representa las ondas emitidas por el vehiculo, seria un
pequeño esquema de lo que seria el proyecto finalizado.
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Figura 6.3 Esquema del Prototipo terminado.
6.1)- SIMULACION DE PRUEBAS EN VARIOS CASOS
El Sistema es capaz de detectar el objeto, mostrar su posición y la distancia la sonar. Por
medio de la computadora podemos saber a que distancia se encuentra un objeto, y cuales son
los posibles caminos a seguir. Como se muestra en la figura 6.4.
El programa esta diseñado a manera que podremos apreciar un espectro de sonido, el cual
dibujara el sonar, tomando en cuenta el plano donde se encuentra, de esta forma también
podremos observar cualquier tipo de objeto que se encuentre dentro del plano, también
tendremos a la vista la referencia de distancias entre objetos, grados, cercanía de objetos y
vista de los mejores caminos a elegir, como si el robot caminara a ojos vendados, pero esto no
es posible, ya que tiene su mapa del camino totalmente establecido.
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Fig. 6.4 El sistema indicando que hay un objeto a 50cm y esta a 90 grados.
PRUEBA A CON DOS OBJETOS
Se colocaran dos objetos a diferentes distancias dentro del área de detección del sonar. los
objetos serán colocados a 30, 65cm de distancia como se muestra el la figura 6.5, esto con el
fin de probar que tan eficaz es el sistema del sonar, también se comprobaran los cálculos del
programa, para una mayor exactitud.
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Fig. 6.5 Vista superior del camino a seguir por el vehiculo.
En esta figura es posible apreciar el margen de vista del sonar, además de las posibles
direcciones a seguir, ya que después del choque de las señales, se deba elegir el mejor camino
a seguir, como se muestra en la figura este es el ejemplo de el choque de ondas de ultrasonido
en un objeto cualquiera, estas son reflejadas a su punto de origen y de esta forma transferidas
hacia la pantalla de la computadora, dando detalle completo del terreno en investigación.
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Fig. 6.6 Resultados del sistema indicando los caminos posibles.
Los resultados de obtenidos se muestran en la imagen de la figura 6.6, se puede apreciar como
el sistema reconoce tres objetos a 30, 65cm, y localiza los caminos posibles que en este caso
fue solo uno el cual de la misma forma es señalado por el propio sistema.
Una vez que el sistema detecta los caminos posibles, el sistema seleccionar uno de los caminos
posibles para sacar el mejor camino. Con los datos del mejor camino puede enviar los pulsos
necesarios al motor de pasos que controla dirección del móvil.
6.2).- CONCLUSIONES
Al final del trabajo se tiene un sistema que permite el detectar los obstáculos existentes dentro
de su área de trabajo y determina su posición, con esta información puede seleccionar un
camino libre de obstáculos y con el ancho suficiente para que pueda pasar por ahí el móvil.
Con los datos del mejor camino genera una señal para mover los motores de dirección y ajustar
la orientación del móvil. Lo siguiente es usar los algoritmos desarrollados para se implantarlos
en un microcontrolador con el fin de hacer autónomo al móvil y aumentar su velocidad de
procesamiento.
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7).- REFERENCIAS
[1] Barrientos, Luís Felipe Penín, Carlos Balaguer, Rafael Aracil. Fundamentos de Robótica, MC Graw Hill.
[2] Inteligencia K.S.FV R.C. Gozalez C.S.G. Lee, Robotica Control detección, visión e Mc. Graw Hill.
[3] Manual de TTL (Texas instruments, motorola).
[4] Turbo C++ for DOS 3.0 Borland.
[5] Keith Weiskamp, Loren Heiny Graficas Poderosas con Turbo C++.
[6] Ralf brown & Jim Kyle PC INTERRUPTS A programmer`s refernce to BIOS, DOS, and, third-party calls Addison Wesley .
[7] Barry B. Brey Los microprocesadores Intel Prentice Hall.
[8] http://www.todorobot.com.ar/informacion/tutorial.
[9] stepper/stepper-tutorial.htm; Tutorial sobre Motores Paso a Paso (Stepper motors).
[10] www.parallax.com; Ultrasonic Distance Sensor data sheet.
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