UNIVERSIDAD ANDINA NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZFACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS

CARRERA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

“CUBO LED 3D 8X8X8”

Informe previo

PROYECTO ELECTRÓNICO I

Presentado por el alumno:

Ronald Hubert Larico Jallurani

Docente del curso:

Ing. Carlos Cacerez

Semestre 2012-II

Juliaca, octubre del 2012

ÍNDICE

RESUMEN….………………………………………….…………………………2OBJETIVOS…………………………………………………………………………3

Objetivo General……………………….…………………………………………...3Objetivos Particulares……………………………………………………………..3

CAPÍTULO I: ROBÓTICA DOMÉSTICA EN LA SOCIEDAD ACTUAL.……41.1. Entorno en el mercado actual………………………….……………………..41.2. Declaración de la problemática…………………………………………………5

CAPÍTULO II: DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL ROBOT MÓVIL………82.1. Representación matemática del robot móvil………………………………102.2. Elementos de limpieza…………………………………………………………102.3. Dimensiones del robot móvil………………………………………………….112.4. Material e instrumental empleado en la construcción de la estructura física del

robot…………………………………………………………………………....11CAPÍTULO III: DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRÓNICO DE CONTROL…13

3.1. Determinación de sensores y actuadores………………………………………13

3.2. Diagrama de flujo……………………………………..…………………..15

3.3. Cálculo de los tiempos programables…………………………..…………..15

3.4. Sistema de control de movimientos del robot móvil…………………..………16

3.5. Diseño de la interface con el usuario…………………………………………16

CONCLUSIONES…………………………………………………………………….20BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………21

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RESUMEN

Los cubos de leds son un elemento de gran versatilidad y con un amplio abanico de posibilidades en su aplicación como elemento decorativo. Discotecas, locales de ocio, tiendas de moda, hoteles y un sinfín de sectores pueden aprovechar su imagen para recrear diversos tipos de imágenes, textos y animaciones.

 Muchas de sus aplicaciones y usos están aún por explorar. Su evolución puede desembocar en próximas aplicaciones que abran nuevos caminos, como pueden ser esferas y poliedros de leds de varias caras.

CUBOS DE LEDS PARA DISCOTECAS Y LOCALES DE OCIO

En cierta forma, este tipo de aplicación puede considerarse como una revisión de alta tecnología de las bolas de espejos. Su espectacularidad y su capacidad para emitir animacion real hace que este tipo de locales sean uno de sus ambientes naturales.

CUBOS DE LEDS PARA CONCIERTOS Y ESPECTÁCULOS

En el mundo de la escenografía son un complemento idóneo que dota de dinamismo a la puesta en escena. En los conciertos musicales es habitual el uso de pantallas gigantes de leds. Estos cubos son un elemento que suma espectacularidad al desarrollo del evento.

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OBJETIVOS

Objetivo General

o El cubo led Consisten en 6 pantallas de leds que hacen las veces de lado del cubo. Cada una de estas pantallas muestra la imagen recibida de forma coordinada, mostrando cada cara una parte de la imagen. Creando así un movimiento contínuo en la superfice total del cubo. Situadas a cierta altura son un elemento decorativo cambiante, ya que puede mostrar cualquier imagen, texto o animación que deseemos.

Objetivos Particulares

o Al igual que los paneles led, el cubo led presenta una nueva altenativa para el mundo de la publicidad y el marketing.

o La manera de trabajo del cubo hace que lugares de ocio y entretenimiento tengan el agrado de ver su capacidad para emitir animación.

o En el mundo de la escenografía puede dotar de dinamismo a la puesta en escena. En los conciertos musicales es habitual el uso de pantallas gigantes de leds. Estos cubos son un elemento que pueden sumar espectacularidad al desarrollo del evento.

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CAPÍTULO I

TECNOLOGIA LED

1.1. Entorno en el mercado actual

Hay una serie de robots que hacen de la vida de las personas más fácil y hasta en cierta medida divertidas. A continuación se muestran ejemplos concretos de robots que han conseguido hacerse de un espacio en el amplio y próspero mercado que es la limpieza y servicios.

VC-RP30W

El robot de limpieza VC-RP30W de Samsung es un 'robot aspiradora' que utiliza el principio de mapeo similar al usado por los sistemas de misiles de alta tecnología, y 'dibuja' un mapa en tres dimensiones del ambiente en donde se encuentra para identificar su ubicación relativa, permitiéndole una limpieza más rápida y efectiva del área definida. El VC-RP30W sabe cuál área debe ser limpiada, logrando un resultado mucho más exacto. Asimismo, con esta unidad, el usuario puede programar el tiempo de trabajo y opciones de limpieza avanzadas, de tal modo que el robot limpia el área automáticamente mientras el usuario está fuera de casa.

Robot aspiradora VC-RP30W de Samsung

La aplicación de limpieza es una de las más demandadas. La limpieza de grandes superficies interiores (hipermercados, metro, aeropuertos, ferias) se efectúa con robots móviles autónomos equipados con las herramientas de limpieza necesarias y con el mapa del local. Normalmente, por razones de seguridad la limpieza se efectúa cuando el establecimiento está cerrado y vacío. No obstante, algunos robots funcionan en entornos con personas por lo que requieren unas medidas de seguridad muy altas.Dado que los sistemas GPS no son aplicables a interiores, es necesario desarrollar otros caminos para la solución del problema SLAM (Simultaneous Localization and Mapping). Las soluciones más exitosas están basadas en

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técnicas de memorización y probabilísticas, fundamentadas por lo tanto en el Filtro de Bayes. Un ejemplo de este tipo de robots son los robots móviles recientemente introducidos en Alemania en algunas cadenas de supermercados. Para su funcionamiento, lo único que necesitan es realizar un tour para aprender el mapa de la superficie.

Robot limpiador

Robot ROOMBA

La aspiradora Roomba realiza una limpieza en tres fases para eliminar el menor rastro de suciedad, dejando a su paso un suelo completamente limpio. Roomba empieza la limpieza de la habitación desplazándose en espiral, utilizando la tecnología de navegación inteligente diseñada por iROBOT. Toda la basura y el polvo se navegación diseñada almacena en un depósito sin bolsa, muy fácil de retirar, vaciar y volver a colocar.Gracias a su sensor de seguimiento de paredes, Roomba se desplaza a lo largo de las paredes y alrededor de los muebles para limpiar toda la superficie del suelo. No necesita accesorios adicionales, es extremadamente ligera (sólo 2,9 Kg) y muy fácil de transportar y guardar.

Roomba de iRobot

1.2. Declaración de la problemática

En nuestro país la utilización de estos robots domésticos no es muy difundida ya que está en vías de desarrollo económico, educativo y social, por ende no es de prioridad la compra de los mismos para el hogar. Sin embargo, es posible llevar a cabo el diseño e implementación de un prototipo de estos robots vistos en el anterior punto para demostrar su aplicabilidad e incentivar la investigación en el campo de la robótica móvil.

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IRoomba es una empresa que ha conseguido dominar el mercado de los robots limpiadores.

I. Área de trabajo

Se ha planteado las siguientes consideraciones para el diseño de un robot que cumpla con los requisitos mínimos para su funcionamiento:

a. El robot sólo trabajará en el plano x e y (el piso del ambiente a limpiar) en el cual el robot móvil se desplazará.

b. El área de trabajo puede variar de dimensiones, por lo que se tomarán las medidas del caso pertinentes en el diseño del algoritmo de programación.

c. Consideraremos un ambiente con nivel de suciedad bajo a medio con fines de demostración del presente prototipo.

d. Habrán objetos en el plano x e y, tales como muebles (las patas de sillas, mesas, etc.) u otros objetos sólidos y las propias paredes, los cuales el robot móvil tendrá que detectarlos para tomar una decisión y continuar su rutina de limpieza.

e. La basura a acumularse dentro del robot está limitada a pequeñas partículas, polvillo, migas de pan, pelo de mascotas. Más no así plásticos, papeles, objetos sólidos voluminosos, debido a que el robot podría sufrir daños internos en sus instrumentos de limpieza y partes mecánicas externas del mismo.

f. Las dimensiones del robot, al tratarse de un prototipo, se determinarán de acuerdo a los materiales disponibles en el mercado local para su construcción.

Fig. XX Ejemplo de un área de trabajo en el plano x e y (piso del ambiente)

II. Detección (sensores)

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Definido estos parámetros de trabajo, el siguiente paso es determinar cómo realizará la limpieza el robot mediante sensores:

a. La detección de la suciedad es indistinta ya que el nivel de la misma es la más baja o cercana a un nivel medio de suciedad, por lo que el robot se desplazará de acuerdo a un algoritmo de programación.

b. Necesariamente habrá contacto con los objetos que pudieran haber en el piso mientras el robot se desplaza.

c. Los sensores que detectarán la presencia física de los objetos cercanos al robot serán de tipo mecánico (ON / OFF) pulsadores y bumpers en estados normalmente abiertos.

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CAPÍTULO II

DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL ROBOT MÓVIL

2.1. Representación matemática del robot móvil

Existe un desplazamiento por parte del robot móvil en el plano x e y. Por ende se trabajará en dos dimensiones únicamente.

Posición

Representación en coordenadas en el plano

Supóngase que el sistema de coordenadas mostrado es fijo, se le designará como sistema {A} la posición con respecto a este sistema se representará mediante un vector de posición AP, cuyas componentes son las coordenadas de este punto:

AP = px

py

El sistema tiene como vectores unitarios XA, YA. Existe otra forma de representar la posición mediante las coordenadas polares. En este caso las coordenadas son la distancia al origen r y el ángulo θ que forma el vector con el eje XA.

Representación en coordenadas polares

Orientación

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Puede describirse la orientación mediante el empleo de las matrices de rotación. Supongamos que tenemos dos sistemas de referencia OXY y OUV con un mismo origen O, siendo el sistema OXY el de referencia fijo y el sistema OUV el móvil solidario al objeto. Los vectores unitarios de los ejes coordinados del sistema OXY son ix, jy, mientras que los del sistema OUV son iu, jv

Orientación de un sistema OUV respecto a otro OXY en el plano

Un vector p en el plano se puede representar en ambos sistemas como:

Realizando operaciones matriciales se llega a la siguiente equivalencia:

Donde:

Es llamada matriz de rotación que define al sistema OUV con respecto al sistema OXY, y que sirve para transformar las coordenadas de un vector en un sistema a la de otro. También recibe el nombre de matriz de cosenos directores. Realizando operaciones de productos escalares la matriz R será de la forma:

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El robot móvil se localiza en el plano mediante su posición y su orientación con respecto a un sistema de referencia. El robot móvil realizará infinitas trayectorias, por ende su posición y orientación cambiarán continuamente.

2.2. Elementos de limpieza

Como elementos de limpieza está en primer lugar el potente aspirador de 30 watts, luego las escobillas que harán el trabajo de acumuladores de basura; para el caso de las escobillas, tomaremos las de una escobilla de zapatos.

Aspirador de mano de 12v dc

Escobilla común

Debido a que el acumulador de basura será el aspirador de mano mencionado, el robot será diseñado en base a las dimensiones del mismo.

Lados Aspirador

Unidades en centímetros

Largo 28.50 (Con reducción: 18.50)Ancho 8.00Altura 11.00

Como el largo del aspirador es de 28.50 cm, reduciremos esta dimensión debido a que posee un cogedero para sujetarlo con la mano y lo eliminaremos. Y se obtendrá un largo de 18.50 cm.

Utilizaremos algunas tiras de la escobilla para que trabajen a modo acumuladores, como empleamos las escobas (un principio similar), para dirigir las partículas hacia la boquilla del aspirador. Sus dimensiones se determinarán en el momento de las pruebas iniciales unas vez implementado el proyecto.

Nota: La capacidad de almacenaje de este dispositivo se estima en unos 100 gramos de basura. Su consumo de corriente es de 2.5 Amperios.

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2.3. Dimensiones del robot móvil

Las dimensiones son determinadas tomando en cuenta los antecedentes de este tipo de robot. Se optó para el presente prototipo la forma de un hexágono. Visto desde arriba, el robot tiene la siguiente forma física:

Robot móvil

Robot móvil

Lados Unidades en metros

Largo 0.260Ancho 0.260Altura 0.150 (+ 1 cm elevación debido a

las ruedas y escobillas)

2.4. Material e instrumental empleado en la construcción de la estructura física del robot

El material empleado para la construcción del robot móvil es el aluminio, debido a su peso ligero y buena rigidez, además de su fácil manipulación en la perforación y cortes. El aluminio es del tipo varilla en forma angular (90°)

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Stovoles y tuercas de 1/8”de pulgada de diámetro x 0.5”, con dimensiones de 1”, 1 ½” y 2” pulgadas de largo

Mica de 3 mm de grosor. Taladro eléctrico con broca de 1/8” de pulgada de diámetro y sierra para

realizar los cortes de la varilla de aluminio

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CAPÍTULO III

DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRÓNICO DE CONTROL

3.1. Determinación de sensores y actuadores

SENSORES

Los sensores a ser utilizados son del tipo ON / OFF, para ellos nos valdremos de pulsadores normalmente abiertos.

4 sensores de detección de obstáculos dispuestos al contorno de la estructura externa del robot, como se muestra en la figura.

Disposición de sensores

Los sensores al ser de tipo accionamiento mecánico requerirán un pequeño retardo para poder trabajar adecuadamente las señales recibidas.

En este caso el circuito entrega a su salida un solo pulso de un ancho establecido por el diseñador. El esquema de conexión es el que se muestra. La fórmula para calcular el tiempo de duración (tiempo en el que la salida está en nivel alto) es:

Dadas estas fórmulas, procedemos a hacer los cálculos para obtener retardos por algunas fracciones de segundo o segundos.

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Para un tiempo de 2 segundos

VR1 : 18 K ohm

C1 : 100 uF

Sensores, 555 y PIC 16F84

Todos los temporizadores tendrán una duración de tiempo de 2 segundos para que el microcontrolador PIC 16F84 los pueda leer adecuadamente

ACTUADORES

Como actuadores se emplearán dos motores de corriente continua que servirán para el desplazamiento del robot móvil en el piso.

SERVOMOTOR SG-5010

• Size: 40.2mm X 20.2mm X 43.2mm• Weight: 38g• Operating Speed: 0.17sec/60degree (4.8V);0.4sec/60degree (6V)• Stall torque: 3.1kg/cm (4.8V); 4.5Kg/cm (6V);• Temperature Range: 0 – 55 degrees• Dead band width: 20us• Operating Voltage: 4.8V – 6V

Servomotor

Este servomotor será alterado, modificando su sistema de limitación de giro para convertirlo en un ordinario motor DC.

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Utilizaremos un puente en H para la inversión de giro del motor DC que viene en un circuito integrado, el L293D.

3.2. Diagrama de flujo

A continuación se presenta un diagrama de flujo general del funcionamiento del sistema:

Diagrama de flujo del sistema

3.3. Cálculo de los tiempos programables

Un microcontrolador PIC 16F84 seleccionará a través del RA4 el circuito de temporización. Se emplearán varios C.I. 555 en configuración monostable.

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Para un tiempo de 1 minuto (X)

VR1 : 545 K ohm

C1 : 100 uF

Para un tiempo de 2 minutos (Y)

VR1 : 1.09 M ohm

C1 : 100 uF

Para un tiempo de 3 minutos (Z)

VR1 : 1.636 M ohm

C1 : 100 uF

3.4. Sistema de control de movimientos del robot móvil

El robot móvil siempre se desplazará hacia adelante.

SE DETECTA EN SENSOR: ACCIÓN:Adelante Retrocede y gira hacia la izquierda, luego

avanza hacia adelante.Izquierda Gira hacia la derecha y luego avanza hacia

adelante.Derecha Gira hacia la izquierda y luego avanza

hacia adelante.Atrás Avanza hacia adelante.

Los dos motores DC serán controlador por un puente H, el L293D que es un C.I., y estos a su vez serán controlados por un microcontrolador PIC 16F84 (que tomará las decisiones en base a los sensores). En el siguiente ítem se muestra el diagrama de bloques que ilustra gráficamente el funcionamiento del robot.

3.5. Diseño de la interface con el usuario

El diseño propuesto para la interface con el usuario es el siguiente:

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Interface con el usuario

Se consideró sólo 4 pulsadores de control y un LCD de 2 x16 caracteres para la visualización de mensajes como la selección de configuración del robot móvil y la acción que ejecuta éste.

1. Encendido / Apagado2. Selección3. Empezar4. Resetear

Encendido / Apagado

Se emplearán 2 tipos de alimentación para todo el sistema con una sola fuente de origen: una batería de 12 Vdc y capacidad de 4 Amper/Hora. Se seleccionó esta batería porque cumple con el requisito de funcionamiento del aspirador cuyo consumo es de 2.5 amperios. El voltaje menor, el de 5 Vdc, se obtiene reduciendo el voltaje de 12 Vdc con un regulador de voltaje, el C.I. 7805.

VOLTAJE APLICACIÓN+12 Vdc Aspirador de 12 Vdc

+5 Vdc Parte electrónica de control y motores de desplazamiento

Selección

SELECCIÓN DURACIÓNX Asignación mediante cálculoY Asignación mediante cálculoZ Asignación mediante cálculo

Los tiempos de selección se asignarán mediante cálculos. Serán 555 en configuración monostable

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Empezar

El botón empezar se diseñó con un C.I. 555 monostable

Donde el tiempo de habilitación de salida está dado por el producto de VR1 y C1 y 1.1

Asignaremos una temporización prolongada de 5 minutos, asumiendo que los valores de selección calculados serán menores a 5 minutos.

Entonces los valores serán:

VR1 : 2.7 M ohm

C1 : 100uF

La salida es por el pin 3 que activará un relé y este así a su vez entrega un voltaje de +5Vdc y se suministra para habilitar los motores, la aspiradora y las escobillas.

Resetear

El botón resetear es un simple botón conectado al MCLR de todos los PICs para poner al momento inicial de las configuraciones de los programas.

Además para el presente prototipo, se pensó en la implementación adicional de un detector de nivel de batería para tener un eficiente funcionamiento.

A continuación se presenta un diagrama de bloques que ilustra el sistema de control del robot móvil:

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Diagrama de bloques de funcionamiento del robot móvil

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CONCLUSIONES

1. En resumen, este proyecto pretende introducirnos en el mundo de la robótica móvil y seguir investigando más acerca del mismo.

2. El peso total del robot móvil no debe exceder los 3.5 kilogramos y su costo de implementación fluctuaría alrededor de los 160 Nuevos Soles.

3. El presente prototipo puede mejorarse en cuanto a sus sensores, adicionándole unos que detecten la proximidad de objetos y analicen los niveles de suciedad en el piso.

4. La aplicación de inteligencia artificial, haciendo un mapeo del área de trabajo y realizando cálculos de tiempo y capacidad de limpieza.

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BIBLIOGRAFÍA

[1] Aníbal Ollero Baturone (2001) Robótica, manipuladores y robots móviles. Marcombo, Boixareu Editores, Madrid.

[2] Barrientos, Peñin, Balaguer y Aracil (1997) Fundamentos de Robótica. McGraw-Hill / Interamericana de España, Madrid.

[3] John J. Craig (2006) Robótica. Pearson Educación, México.[4] Enrique Palacios, Fernando Remido, Lucas J. López (2004) Microcontrolador

PIC 16F84, Desarrollo de proyectos. Alfaomega Grupo Editor, México.[5] Microchip (2001), Datasheet 16F84[6] Microchip (2001), Datasheet 16F877

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