UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ALCOY
“TUTORIAL: ROBOT SEGUIDOR DE LINEA”
AUTOR: José Ríos Úbeda
DIRIGIDO POR: Jaime Masiá Vañó
Alcoy, 2 de Mayo de 2014
Tutorial: Robot seguidor de línea Escuela Politécnica Superior Alcoy
CONTENIDO DEL TUTORIAL
1. OBJETIVO DEL TUTORIAL ............................................................................................... 3
2. MICROCONTROLADOR ARDUINO .................................................................................. 4
3. ELEMENTOS NECESARIOS .............................................................................................. 5
3.1 Listado componentes por nombre, cantidad y precio .................................... 5
3.2 Listado componentes en imágenes ................................................................. 6
4. CONTRUCCIÓN Y DISEÑO. ............................................................................................ 7
4.1 Placa circuito impreso ...................................................................................... 7
4.2 Montaje sobre PCB .......................................................................................... 7
PASO 1:Puentes y resistencias ....................................................... 7
PASO 2: Pulsadores de tacto .......................................................... 9
PASO 3: Indicadores leds ................................................................ 9
PASO 4: Bornes dobles y condensador ........................................ 10
PASO 5: Tiras de pines .................................................................. 11
PASO 6: Micromotores corriente continua .................................. 11
PASO 7: Sensor óptico .................................................................. 12
PASO 8: Rueda loca ...................................................................... 13
PASO 9: Conector JST ................................................................... 13
PASO 10: Arduino motor shield ................................................... 14
PASO 11: Arduino Uno Rev3 ........................................................ 15
PASO 12: Cableado ....................................................................... 15
PASO 13: Batería .......................................................................... 16
5. TEST Y PROGRAMACIÓN ............................................................................................... 2
6. ANEXOS .......................................................................................................................... 2
6.1 Anexo 1:Fotolito .............................................................................................. 7
6.2 Anexo 2: Asignación entradas y salidas ........................................................... 7
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Tutorial: Robot seguidor de línea Escuela Politécnica Superior Alcoy
1. OBJETIVO DEL TUTORIAL En este tutorial intentaremos lograr que construyas un robot seguidor de línea controlado por un microcontrolador Arduino.
VIDEO FUNCIONAMIENTO ROBOT
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2. MICROCONTROLADOR ARDUINO Para el funcionamiento del robot seguidor de línea se utilizara un microcontrolador programable arduino, además de un controlador que nos permitirá manejar los dos motores.
Arduino es una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles y fáciles de usar. Se creó para artistas, diseñadores, aficionados y cualquiera interesado en crear entornos u objetos interactivos. http://www.arduino.cc/es/
Este es el microcontrolador elegido para el robot, se detalla a continuación:
Arduino Uno Rev3 es una placa electrónica basada en el microprocesador Atmega328 (datasheet). Lleva 14 entradas/salidas digitales y 6 de estas pueden utilizarse para salidas PWM. Además lleva 6 entradas analógicas, un oscilador de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un header ICSP y un pulsador para el reset. La placa lleva todo lo necesario para soportar el microprocesador. (Figura 1.1)
Arduino Motor Shield se basa en el L298 (datasheet), que es un controlador de puente completo dual diseñado para manejar cargas inductivas como relés, solenoides, DC y motores paso a paso. Te permite conducir dos motores de corriente continua con tu placa Arduino, el control de la velocidad y la dirección de cada uno de forma independiente. También se puede medir el consumo de corriente de cada motor, entre otras características. (Figura 1.2)
duino.es
w.arduino.es
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3. ELEMENTOS NECESARIOS
Para empezar te mostramos un listado de todos los materiales que necesitas, aparte de esto te hará falta herramientas básicas como: destornilladores, alicates, soldador, estaño…y muchas ganas de empezar. (Tabla 3.1)
3.1. LISTADO COMPONENTES POR NOMBRE, CANTIDAD Y PRECIO
Se detallan todos los componentes necesarios para el montaje, puedes acceder al vínculo de internet del elemento situándote encima del nombre (Ctrl + clic).
ELEMENTO NOMBRE CANTIDAD Referencia 1 Arduino Uno Rev 3 1 2 Arduino Motor Shield 1 3 Micromotor de corriente continua 2 4 Soporte para micromotor (par) 1 5 Ruedas pequeñas 32x7mm (par) 1 6 Rueda loca pequeña 9.52mm 1 7 Array de sensores reflectantes QTR-8A 1 8 Batería Rhino 750mAh 7.4v 20C 1 9 Tira de pines cabecera hembra 40 vías 1
fila paso 2.54mm 1
10 Tira de pines cabecera macho 40 vías 1 fila paso 2.54mm
1
11 Tira de pines cabecera hembra 8 vías 3 12 Tira de pines cabecera hembra 6 vías 1 13 Conector JST 1 14 Pulsadores tacto 3 15 Bornes dobles para PCB 4 16 Condensador 100nf (no electrolítico) 1 17 Resistencia 4k7 2 18 Resistencia 390 1 19 Resistencia 330 2 20 Resistencia 10k 3 21 Led verde 1 22 Led rojo 1 23 Cable telefónico 1 24 Interruptor
Tabla 3.1 Listado componentes. Fuente: Elaboración propia
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3.2. LISTADO COMPONENTES EN IMÁGENES
Además incorporamos una tabla con imágenes que nos servirá para identificar todos los elementos necesarios para nuestro robot seguidor de línea.
Nº 4
Nº 5
Nº 3
Nº 6 Nº 7 Nº 8
Nº 9 Nº 10 Nº 11
Nº 12 Nº 13 Nº 14
Nº 16
Nº 15 Nº 17,18,19,20
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4. CONSTRUCCION Y DISEÑO
4.1 PLACA CIRCUITO IMPRESO
En este caso el chasis del robot es la misma placa PCB, se ha realizado así para minimizar el peso del robot y hacer que la potencia de los motores se aproveche de la mejor manera. Adicionalmente es uno de los principales componentes del robot, ya hemos realizado el diseño y te lo presentamos para que te guíes, por supuesto lo puedes modificar y darle a tu robot una forma única. Puedes fabricar esta placa manualmente o mandarla fabricar según sea tu experiencia. (Figura 4.1)
Tabla 3.2 Listado componentes. Fuente: Elaboración propia
Nº 21.22
Nº 23 Nº 24
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Puedes ver el fotolito más adelante, el cual puedes imprimir para crear tu propia placa por insolación. (Anexo 1)
4.2 MONTAJE SOBRE PCB
Cuando ya tengas la placa lista debes ahora soldar todos los componentes, para ello te explicaremos paso a paso la mejor manera para hacerlo.
PASO 1: PUENTES Y RESITENCIAS
En primer lugar separamos los 4 trozos de placa que nos servirán como separador del soporte del micromotor que más adelante explicamos su montaje. (Figuras 4.2 y 4.3)
Empezaremos soldando los componentes más pequeños, resistencias y puentes tal como indica la imagen. (Figuras 4.4 y 4.5)
Figura 4.1 Placa PCB original
Figura 4.2 Separadores Figura 4.3 Separador
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PASO 2: PULSADORES DE TACTO
Seguidamente insertaremos los 3 pulsadores en la esquina inferior tal como indican las imágenes. (Figuras 4.6 y 4.7)
Cada pulsador tendrá una asignación (P1, P2 y P3) se muestra en la tabla de asignaciones que más adelante proporcionamos. (Anexo 2)
Figura 4.4 Montaje puentes
Figura 4.5 Montaje resistencias
Puente 1
Puente 2
Puente 3
Puente 4
2 Resistencias 330Ω
Resistencia 390Ω
Resistencia 4k7Ω Resistencia 4k7Ω
3 Resistencias 10kΩ
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PASO 3: INDICADORES LEDS
A continuación procederemos a soldar los leds rojo y verde en la misma área de los pulsadores. (Figura 4.8)
Tener en cuenta la polaridad de los leds, para orientaros mejor saber que la pista más próxima al borde de la PCB es alimentación positiva (+) y la negativa (-) conecta con las resistencias de 330Ω. (Figura 4.9)
PASO 4: BORNES DOBLES Y CONDENSADOR
En el siguiente paso insertaremos los bornes dobles, 4 en su totalidad, divididos en dos partes: 1 borne en la parte inferior de la placa (Figura 4.10) y 3 bornes en la parte superior (Figura 4.11)
También aprovechamos y soldamos el condensador de 100nf, como no es electrolítico no tendremos en cuenta su polaridad. (Figura 4.11)
Figura 4.6 Pulsadores Figura 4.7 Pulsadores
P1
P2
P3
Figura 4.8 Leds Figura 4.9 Leds
Ánodo +
Cátodo -
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Paramos en este punto, y observamos con esta vista aérea de nuestra placa PCB, que no nos hayamos obviado ningún paso y todos los componentes estén correctamente en su ubicación. (Figura 4.12)
PASO 5: TIRAS DE PINES
Seguimos con el siguiente paso en el cual insertaremos y soldaremos cuidadosamente las tiras de pines de cabecera compuestas por 8 pines y 6 pines. (Figuras 4.13 y 4.14)
Figura 4.10 Bornes Figura 4.11 Bornes
Figura 4.12 Vista PCB
Condensador
1 Tira 6 pines
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PASO 6: MICROMOTORES CORRIENTE CONTINUA
A continuación recuperamos los separadores para los motores que nos servirán para separar la distancia correcta la PCB del suelo, para que los componentes inferiores no tengan contacto alguno con el suelo. (Figuras 4.2 y 4.3)
De tal manera colocamos 2 separadores juntos en la posición del motor, y atornillaremos el motor tal como indican las imágenes. (Figuras 4.15 y 4.16)
Por ultimo soldaremos la alimentación del micromotor con 2 cables (rojo y negro) en su correspondiente ubicación en la PCB, e insertaremos las ruedas compatibles en el eje del motor. (Figura 4.16)
Realizaremos la misma operación para la otra rueda.
PASO 7: SENSOR OPTICO
Seguimos dando forma a nuestro robot seguidor de línea, en este paso montaremos el sensor óptico.
Figura 4.13 Tira de pines inferior Figura 4.14 Tira de pines superior
3 Tiras 8 pines
Figura 4.15 Separadores ruedas Figura 4.16 Micromotor y rueda
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Para ello primero cambiaremos la disposición de los pines de la tira para obtener mayor longitud en los pines. (Figura 4.17). Cortaremos la tira para obtener una nueva tira de 11 pines. (Figura 4.18)
Soldaremos la tira de pines en el morro del robot, tal que los pines sobresalgan por la parte inferior de la PCB. (Figura 4.19).
Cortaremos de nuevo otra tira de pines, pero en este caso la tira de pines hembra para obtener una nueva tira de 11 pines como la anterior. (Figura 4.20)
Soldaremos dicha tira de pines al sensor óptico, la soldadura se realizara por la parte inferior del sensor por donde se encuentran los fotosensores. (Figura 4.21)
Por último y con las dos partes terminadas, ensamblaremos el sensor óptico con la PCB del robot, tal que debe quedar centrada en el morro del robot. (Figura 4.22)
Figura 4.17 Alicates y tira de pines
Figura 4.19 Tira de pines soldada Figura 4.20 Tira de pines cortada
Figura 4.18 Micromotor y rueda
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PASO 8: RUEDA LOCA
Para finalizar el morro del robot seguidor de línea, necesitaremos dotarle de movimiento libre en el morro, para ello instalaremos una rueda loca.
Su conexión es sencilla, la atornillaremos en los orificios ya preparados para ella. (Figuras 4.23 y 4.24)
PASO 9: CONECTOR JST
No nos olvidemos de conectar el conector JST en el borne correspondiente, cuidando la polaridad tal como indicamos. (Figura 4.25)
Figura 4.21 Soldando tira a sensor Figura 4.22 Morro del robot
Figura 4.23 Rueda loca Figura 4.24 Instalación rueda loca
Figura 4.25 Conexión conector JST
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Con la mayoría de los pasos ya finalizados, aramos de nuevo este punto, y observamos con esta vista aérea de nuestra placa PCB, que no nos hayamos obviado ningún paso y todos los componentes estén correctamente en su ubicación. (Figura 4.26)
PASO 10: ARDUINO MOTOR SHIELD
Vamos a instalar el controlador en la parte superior de la PCB, guiarse de la posición por las imágenes, se puede observar que 2 pines del controlador no estarán conectados con la PCB es porque no se van a utilizar. (Figuras 4.27 y 4.28)
Figura 4.27 Instalación controlador Figura 4.28 Instalación controlador
Figura 4.26 Vista aérea robot seguidor de línea
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PASO 11: ARDUINO UNO REV3
Por otra parte la instalación del Arduino Uno se realizara por la parte inferior de la PCB, de tal modo que la placa controladora y el arduino quedaran conectados entre sí. La posición del Arduino es la que se muestra en las imágenes. (Figuras 4.29 y 4.30)
PASO 12: CABLEADO
Se realizara la conexión del borne del controlador con los bornes que conectan a los micromotores además del borne de alimentación. (Figuras 4.31 y 4.32)
La conexión del cableado se realizara de la siguiente manera. (Figura 4.33)
Figura 4.29 Instalación Arduino Figura 4.30 Instalación Arduino
Figura 4.31 Conexionado cables Figura 4.32 Conexionado cables
Figura 4.33 Esquema conexionado
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PASO 13: BATERIA
Como último paso conectaremos la batería al conector JST y la esconderemos debajo del controlador ya que existe un hueco suficiente para ello. (Figuras 4.34 y 4.35)
ASPECTO FINAL ROBOT SEGUIDOR DE LINEA
Figura 4.34 Conexión batería Figura 4.35 Batería conectada
Figura 4.36 Vista superior Figura 4.37 Vista inferior
Figura 4.38 Vista lateral 1 Figura 4.39 Vista lateral 2
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5. TEST Y PROGRAMACIÓN Para iniciar la comunicación con nuestro Arduino Uno, deberemos seguir los pasos que nos sugieren en la web: http://arduino.cc/en/Guide/Windows#toc1
Ya tenemos nuestro robot seguidor de línea terminado y listo para empezar a trabajar. Antes de empezar a programar el arduino recomendamos realizar un programa tipo test que nos ayudará a comprobar que todos los elementos funcionan correctamente además de sernos útil en posibles averías futuras.
El programa que proponemos está basado en LabView y es el siguiente:
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6. ANEXOS
6.1 FOTOLITO
6.2 ANEXO 2 (ASIGNACIONES ENTRADAS Y SALIDAS)7
ENTRADAS ANALÓGICAS PIN DESCRIPCION (DER-IZQ) A0 2º Sensor óptico A1 3º Sensor óptico A2 4º Sensor óptico A3 5º Sensor óptico A4 6º Sensor óptico A5 7º Sensor óptico
ENTRADAS / SALIDAS DIGITALES PIN E/S DESCRIPCION 13 Salida Dirección motor B 12 Salida Dirección motor A 11 Salida Velocidad motor B (PWM) 10 Entrada Pulsador 1 9 Salida Freno motor A 8 Salida Freno motor B 7 Salida Led rojo 6 Salida Led verde 3 Salida Velocidad motor A (PWM) 2 Entrada Pulsador 2 0 Entrada Pulsador 3
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