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La Mecatrónica en México

Comité Editorial de la Revista

Diseño Gráfico Mónica Vázquez Guerrero

Kikey Stephanie Méndez Sánchez Alejandra Miguel Vargas Mandujano

Vinculación Luis Alberto Aguilar Bautista Luis Antonio Salazar Licea

Miguel Ángel Bacilio Rodríguez

Revisión de Formato Rodrigo Escobar Díaz-Guerrero

Conrado Vargas Cabrera Alejandro de León Cuevas Ángel Juárez Buenrostro

Soporte Técnico Carlos Alberto Ramos Arreguín

Juan Carlos Moya Morales Ma. Del Carmen García López

Ubaldo Geovanni Villaseñor Carrillo

© DERECHOS DE AUTOR Y DERECHOS CONEXOS. La Mecatrónica en México, Año 5, No. 3, Septiembre - Diciembre 2016, es una publicación cuatrimestral editada por la Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C., Calle Fonología No. 116, Col. Tecnológico C.P. 76158, Querétaro Qro. Tel.(01- 442) 224 0257. www.mecamex.net/revistas/LMEM/ , Editores responsables: Juan Manuel Ramos Arreguín y José Emilio Vargas Soto. Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 2012-092010534100-102, ISSN: 2448-7031. Las opiniones que en los artículos aparecen son exclusivas de los autores, y no representan la postura de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. La revista cuenta con el Certificado de Reserva de Derechos al Uso Exclusivo No. 04-2012-092010534100-102, ISSN en trámite, ambos otorgados por el Instituto Nacional de Derechos de Autor. Responsables de la última actualización este número: Juan Manuel Ramos Arreguín y José Emilio Vargas Soto. Este número se terminó de imprimir el 12 de Noviembre del 2016. Las opiniones expresadas por los autores de los artículos no reflejan la postura de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. Esta revista es una publicación de acceso abierto, distribuido bajo los términos de la Asociación Mexicana de Mecatrónica A. C., la cual permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones por cualquier medio, siempre y cuando los trabajos estén apropiadamente citados, respetando la autoría de las personas que realizaron los artículos.

PROLOGO Estimados lectores, Nuevamente me es grato escribir estas líneas para presentarles el tercer y último número de la revista La Mecatrónica en México del presente año. Nuestro comité editorial ha seleccionado en ésta ocasión cuatro interesantes artículos que espero encuentren interesantes.

Agradezco el entusiasmo de colegas de las Universidades e Institutos que han estado la pendiente sobre el desarrollo de la revista. Así mismo reconozco y agradezco el enorme esfuerzo del comité editorial y del comité técnico de revisores. Como siempre, su importante trabajo hace posible que la Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C. continúe realizando una labor altruista que promueve el estudio y la difusión de los trabajos que se presentan en esta edición.

Espero que en esta edición encuentren información valiosa y los temas

expuestos propicien un acercamiento entre estudiantes, profesores, profesionistas e investigadores que de alguna manera realizan proyectos y trabajos afines a la Ingeniería Mecatrónica. Los cambios tecnológicos y los nuevos proyectos de investigación que se llevan en curso en diversos lugares de nuestro País nos llevan a imaginar nuevos productos, procesos y servicios.

Como ya es costumbre, me despido invitándoles a seguir enviando sus

trabajos y seguir fortaleciendo la revista con sus aportaciones.

Dr. José Emilio Vargas Soto Fundador Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.

ÍNDICE Desarrollo de un Sistema Embebido para Interconectividad de Dispositivos Juárez Contreras Daniel Ubaldo, Jiménez García Arturo, González Mendoza Viviana, Hugo Uriel Chávez Martínez y Ramos Arreguín Juan Manuel.

72

Diseño y Construcción de un Robot Móvil Omni-Direccional Autónomo de 9 Grados de Libertad García-Sillas, Daniel, Gorrostieta-Hurtado Efrén y González-Gutiérrez Arturo.

84

Diseño de un Robot Neumático de 6 Grados de Libertad González Castillo Edgar Eduardo, Ramos Arreguín Juan Manuel y Talavera Velázquez Dimas.

92

Prototipo de Vehículo Omnidireccional con Luz Propia Betanzos-Rivera Luis Enrique, Cíntora-García Mayra Azucena, Pantoja-Núñez Héctor Orlando, Ledesma-Cárdenas Juan José y Vargas-Soto José Emilio.

104

Diseño e Implementación de un Transmisor Digital Inalámbrico mediante Tecnología FPGA Reyes Cruz Luis Ángel, Pedraza Ortega Jesús Carlos, Ramos Arreguín Juan Manuel, Díaz Delgado Guillermo y Tovar Arriaga Saúl.

114

La Mecatrónica en México, Septiembre 2016, Vol. 5, No. 3, páginas 72 – 83. Disponible en línea en www.mecamex.net/revistas/LMEM ISSN: 2448-7031, Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.

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Desarrollo de un Sistema Embebido para Interconectividad de Dispositivos

Juárez Contreras Daniel Ubaldo1, Jiménez García Arturo1, González Mendoza Viviana1, Hugo Uriel Chávez Martínez3, Ramos Arreguín Juan Manuel2

Facultad de Informática1, Universidad Autónoma de Querétaro Facultad de Ingeniería2, Universidad Autónoma de Querétaro

TSU en Mecatrónica Área Automatización3, Universidad Tecnológica de San Juan del Río

Resumen

La presente publicación muestra el desarrollo y resultados obtenidos a partir del primer desarrollo de un Sistema Embebido para la Interconectividad de Dispositivos. Este proyecto tiene como principal objetivo el desarrollo una tarjeta que contenga interfaces de conectividad inalámbrica como puede ser WiFi, Bluetooth, radiofrecuencia entre otros, así como pantalla táctil y que se encuentre al alcance de los alumnos de la Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ) que no tienen acceso a un kit comercial de comunicaciones comercial pues estos pueden llegar a ser muy costosos y difícilmente son del alcance de los estudiantes. El Sistema está basado en el kit programador NoMADA, desarrollado por la empresa mexicana Solace Labs y que es compatible con Atmel Studio en Windows y en sistemas Linux y Mac OS X, y el microcontrolador ATmega 328p con loas cuales se podrá controlar la funcionalidad de la pantalla táctil y del modulo conectado al sistema.

El prototipo desarrollado podrá ser utilizado en diversos proyectos relacionados con telecomunicaciones y podrá ser adaptado a las necesidades específicas del estudiante y utilizar solamente aquellos módulos que considere pertinentes. Palabras clave: WiFi, Bluetooth, ZigBee, Sistema Embebido, Microcontrolador, NoMADA.

1. Introducción

Se pueden definir los sistemas embebidos como un sistema electrónico de procesamiento, programado para realizar funciones o tareas para un objetivo específico. Cuando los sistemas son más grandes, se pueden incluir además de elementos electrónicos y de software, partes mecánicas, eléctricas y electromecánicas [1].

Los microcontroladores se encuentran presentes en numerosos sistemas embebidos. Para realizar sus funciones, necesitan el apoyo de otros dispositivos digitales. Con este objetivo, precisa comunicarse con ellos, es decir, transmitir y recibir información relevante al desempeño de las tareas para las cuales fue diseñado.

Un sistema embebido es un sistema electrónico que contiene un microprocesador o microcontrolador; sin embargo, no pensamos en ellos como un computador [2]. Existen una gran cantidad de aplicaciones de sistemas embebidos, que van desde comunicaciones, antenas, telefonía celular, sistemas de manufactura, equipo médico, sistemas de seguridad, administración de energía, sistemas de GPS, sistemas de control automotriz, aplicaciones militares, aeroespaciales, procesamiento de datos, de video, entre otras.


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Para saber que tipo de sistema embebido se requiere, es necesario conocer las necesidades del proyecto o tarea. Este factor comprende dos aspectos: los requerimientos en cuanto a periféricos y los requerimientos en cuanto a capacidad de procesamiento; así mismo, puede implicar la necesidad de realizar cálculos específicos para la aplicación, como son los cálculos matemáticos con coma flotante. En cuanto a módulos, un proyecto exige identificar las prestaciones mínimas del microcontrolador, el cual, deberá cumplir con unas características de memoria, líneas de E/S, UARTs etc., I2C, SPI, RS232 temporizadores, Conversores Analógico/Digital (CAD), Conversores Digital/Analógico (CDA), unidades de comparación/captura/PWM, entre otras [3].

Es por esto que se busca diseñar un prototipo que cumpla al menos con las características mínimas en el microprocesador para cumplir con tareas de comunicación e interconectividad entre dispositivos con los módulos mas utilizados en las comunicaciones inalámbricas con la finalidad de obtener un sistema que provea conectividades inalámbricas para el desarrollo de conocimiento en telecomunicaciones y al que tengan acceso los estudiantes de la UAQ que no pueden acceder a un sistema comercial.

2. Metodología

El diseño de este prototipo desea brindar una herramienta, principalmente para estudiantes, en la que se sea capaz de implementar un sistema que de solución a problemas reales de interconectividad de dispositivos y/o ayude al aprendizaje en el área de telecomunicaciones.

Para poder llevar a cabo el desarrollo de este prototipo se empleo una metodología por

etapas diseñada por el equipo de trabajo de este proyecto, dicha metodología se puede observar en la Figura 1.

Figura 1 - Metodología

1

•Estudio sobre sistemas embebidos, programación de pantallas táctiles y tecnologías de comunicación inalámbricas.

2

•Pruebas con kits comerciales para el aprendizaje de los módulos a utilizar, y poder definir las características especiales de los mismos.

3

•Desarrollo de prototipo con pantalla táctil de un sistema embebido basado en microcontrolador.

4 •Sistema WiFi, Bluetooth y ZigBee

5 •Desarrollo de sistema para controlar la intercomunicación entre dispositivos

6 •Diseño y fabricación de carcasa en impresora 3D


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La metodología diseñada se compone de seis diferentes etapas en las que se desarrollaron diferentes elementos del prototipo final y se describen a continuación.

2.1 Estudio sobre sistemas embebidos, programación de pantallas táctiles y tecnologías de comunicación inalámbricas

El desarrollo de este proyecto comenzó con la investigación realizada acerca de la situación

actual de los sistemas embebidos y el mundo de las tecnologías de comunicación inalámbricas y la programación de las pantallas táctiles mas usadas en aplicaciones académicas y de investigación. El principal objetivo de esta primera etapa fue observar las características de los sistemas comerciales que existen el mercado y documentarnos con la información necesaria para poder definir las características que contendría nuestro dispositivo.

2.2 Pruebas con kits comerciales para el aprendizaje de los módulos a utilizar, y poder definir las características especiales de los mismos

Para poder definir las características que deberían de tener cada uno de los módulos a

utilizar tuvimos que aprender primero a usar los módulos que se tenían al alcance en la facultad y elegir entonces los módulos con las características que más se adecuaban a los objetivos del proyecto para su adquisición.

En este punto del proyecto se decidió que se deberían de adquirir los siguientes módulos de

comunicación y pantalla táctil:

WiFi ESP8266 El Módulo WiFi Serial ESP8266, Figura 2, ofrece una solución completa para conexión de

sistemas a redes WiFi, permitiendo delegar todas las funciones relacionadas con WiFi y TCP/IP del procesador que ejecuta la aplicación principal. Es capaz de funcionar como adaptador de red en sistemas basados en microcontroladores que se comunican con el a través de una interfaz UART gracias a sus características:

· Protocolos soportados: 802.11 b/g/n · WiFi Direct (P2p), Soft Access Point · Stack TCP/IP integrado · PLL, reguladores y unidades de manejo de energía integrados · Potencia de salida: +19.5dBm en modo 802.11b · Consumo en modo de baja energía: <10 uA · WiFi 2.4 GHz, soporta WPA/WPA2 · Tamaño ultra reducido (11.5mm x 11.5mm) · Conversor analógico a digital de 10-bit

Figura 2 - Módulo WiFi ESP8266


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Bluetooth RN42xv El RN42XV, Figura 3, es un radio Bluetooth de tamaño pequeño y bajo consumo. Este

módulo soporta múltiples protocolos. Su diseño es simple y está completamente certificado, por lo que es una solución Bluetooth totalmente integrada y gracias a su alto rendimiento, la antena integrada y soporte para Bluetooth EDR, el RN42 ofrece hasta 3Mbps de velocidad de transmisión para distancias de hasta 20 metros.

Características · Bluetooth versión 2.1 certificada, compatible con la versión 2.1 + Enhanced Data Rate

(EDR) · Backwards compatible con Bluetooth versión 2.0, 1.2, y 1.1 · Utilizado normalmente para aplicaciones 802.15.4 · Bajo consumo: 26 uA en descanso, 3 mA conectado, 30 mA al transmitir · interfaces de comunicación: UART (SPP o HCI) y USB (sólo HCI) · Bluetooth SIG certificado · Certificaciones: FCC, IC, CE · PCB antena embebida

Figura 3 - Módulo Bluetooth RN42. (2016). Recuperado de www.sparkfun.com

ZigBee XBee Pro S3B Los módulos XBee S3B, Figura 4, trabajan a una frecuencia de 900MHz y son capaces de

realizar conexiones punto a punto y redes de punto a multipunto. Diseñados para tramos de largo alcance, el XSC-XBee es ideal para soluciones donde la penetración de RF y la distancia de transmisión absoluta son de suma importancia para su aplicación.

Características: · 20 veces menos consumo de corriente del módulo XSC anterior · Datos RF hasta 20kbps · Topologías de red multipunto · 900MHz para la operación de alcance extendido · Interior o zona urbana hasta 600 metros · En exterior con LOS puede tener un alcance de hasta 15 millas (24km)* con antena de alta

ganancia · En exterior con LOS puede tener un alcance de hasta 6 millas (9.6km)* con antena dipolo · Múltiples opciones de antena

Figura 4 - Módulo ZigBee XBee Pro S3B. (2016). Recuperado de www.digi.com


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SmartGPU 2 El Smart GPU 2, Figura 5, ofrece una sencilla pero eficaz interfaz UART serie para cualquier

microcontrolador host que pueda comunicarse a través de un puerto serie. Todas las funciones del procesador se reciben mediante comandos sencillos a través de la interfaz serie. El procesador inteligente de la GPU 2 puede traer gráficos, audio, tacto, etc. a cualquier aplicación o proyecto sin la necesidad de tener experiencia en el manejo LCDs y algoritmos gráficos. Características:

· 2.4“ · 320x240 pixeles · Touchscreen LCD resistivo · 144 colores · UART/USART, Baud Rate desde 9600bps hasta 2000000bps, 8 bits, no parity, 1 stop bit. · PWM controlled display brightness.

Figura 5 - SmartGPU 2 - LCD320X240 - 2.4"

2.3 Desarrollo de prototipo con pantalla táctil de un sistema embebido basado en

microcontrolador

Una vez adquiridos los componentes más adecuados que formarían parte de nuestro sistema, el siguiente paso fue comenzar con el desarrollo del prototipo y comenzar a realizar los primeros diseños en planillas de proyectos.

La base del proyecto es la herramienta de programación NoMADA, que es una herramienta

de Grado Industrial para desarrollo de Aplicaciones Mecatrónicas, Sistemas Embebidos e Internet de las Cosas; totalmente compatible con la plataforma de desarrollo de Atmel Studio y que es compatible con todos los microcontroladores AVR de Atmel [w1]. La primera versión del Kit de programación NoMADA incluía el programador Universal de Microcontroladores NoMADA, Figura 6, y un Microcontrolador ATMega328P.

Figura 6 - Programador universal de Microcontroladores NoMADA. (2014). Recuperado de Manual de

Conexión Eléctrica NoMADA ISP.

La serie AVR de los microcontroladores de Atmel utilizan como método de programación 2

esquemas principales: “High Voltage Programming” y “In System Programming”; NoMADA


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descarga el firmware a los microcontroladores AVR utilizando este último método, destacando los siguientes pines: Master Output--- Slave Input (MOSI), Reset (RST), Serial Clock (SCK) y Master Input--- Slave Output (MISO).

Para llevar a cabo dicha programación, es necesario interconectar los pines de programación “pin a pin” con los pines del microcontrolador, es decir, el pin MISO del programador NoMADA con el pin MISO del Microcontrolador AVR, el pin RST del programador NoMADA con RST del Microcontrolador AVR (el pin RST del microcontrolador debe estar conectado a voltaje a través de una resistencia de 10KΩ o mayor) y así sucesivamente [4].

El microcontrolador ATmega328p, Figura 7, es un microcontrolador de 8 bits basado en los

procesadores AVR, fabricados por Atmel. Cuenta con las siguientes características: · Arquitectura RISC: · 131 instrucciones. · 32 registros de propósito general de 8 bits. · Memoria: · 32 Kbytes de Flash. · 1 Kbyte de EEPROM. · 2 Kbytes de SRAM · Frecuencia de hasta 20 MHz. · Ejecuta una instrucción cada ciclo de reloj. · La ALU soporta operaciones aritméticas y lógicas entre registros. · Registro de estado MCUSR: Después de presentarse una señal de reset, este registro se

puede utilizar para conocer la causa. · Interrupciones: Control por medio de vectores. 26 niveles de interrupción. · La dirección en la que se ubican en memoria puede modificarse. · Puertos de E/S: la funcionalidad básica de los puertos del microcontrolador · es la entrada y salida digital. Cada pin es configurable de manera · independiente como entrada o salida. Los puertos están multiplexados con · el resto de los periféricos. · Periféricos: Timers con PWM (6 canales). SPI (Serial Peripheral Interface). · USART. Comparador analógico. Convertidor analógico - digital con · resolución de 10 bits. TWI (2 - Wire Serial Interface).

Figura 7 - Microcontrolador Atmel ATmega 328p. “Anónimo”. (2015). Recuperado de

http://www.atmel.com/images/Atmel-8271-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega48A-48PA-88A-88PA-168A-168PA-328-328P_datasheet_Complete.pdf

En la Tabla 1 se pueden observar las ventajas que ofrece NoMADA. Las principales ventajas

encontradas, y que fueron fundamentales para decidir desarrollar el proyecto tomando como base NoMADA, fueron que es compatible con los lenguajes de programación mas utilizados (C, C++) y la compatibilidad con diferentes Microcontroladores de la serie AVR de Atmel.


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Una característica del lenguaje de programación C, dónde se demuestra la comodidad de uso en sistemas embebidos, es la manipulación de bits. El lenguaje C es el lenguaje mas común para programar sistemas embebidos debido al código ligero que un compilador C genera y la posibilidad de empleo de instrucciones de bajo nivel dentro del código C [5].

Tabla 1 - Ventajas de NoMADA

Características

NoMADA

Compatible con lenguajes de programación mas utilizados: C, C++

Sí

Tarjetas de Expansión Plug-and-Play

Sí

Diseño Ergonómico para Fácil Integración

Sí

Hardware de Baja Complejidad

Sí

Independencia de Bootloader

Sí

Capaz de Programar Fusibles de Microcontrolador

Sí

Circuito de Protección Contra Cortos Circuitos

Sí

Compatible con diferentes Microcontroladores de la serie AVR de Atmel

Sí

Soporte Técnico en México

Sí

2.4 Sistema WiFi, Bluetooth y ZigBee

En su forma más básica, WiFi es la transmisión de señales de radio. WiFi es el nombre dado por la WiFi Alliance para el conjunto de estándares IEEE 802.11. 802,11 fue definido como el estándar inicial para redes de área local inalámbricas (WLAN), pero se consideró muy lento para algunas aplicaciones y así fue reemplazado por el 802.11a extensiones y 802.11b, 802.11g [6].

Bluetooth es un estándar global de comunicación inalámbrica que conecta dispositivos entre

sí a través de una cierta distancia. Un dispositivo de Bluetooth utiliza ondas de radio en lugar de cables o cables para conectar a un dispositivo. Cuando dos dispositivos Bluetooth quieren hablar el uno al otro, tienen que emparejar [w2].

ZigBee es una tecnología inalámbrica desarrollado como un estándar global abierto para

hacer frente a las necesidades únicas de bajo costo, redes inalámbricas de bajo consumo. El estándar ZigBee opera en la especificación IEEE 802.15.4 y opera en bandas sin licencia. Permite el soporte para múltiples topologías de red, como punto a punto, punto a multipunto y redes de malla, hasta 65.000 nodos por red, cifrado AES de 128 bits para conexiones de datos seguras además de sistemas anticolisión, reintentos y reconocimientos [7].

Cada módulo de comunicación inalámbrica necesita ser configurado especialmente, pues a pesar de que comparten algunas características físicas o de funcionamiento, cada uno opera de una manera distinta a los demás y para el sistema deseado se necesitaba tratar de manera individual cada modulo desde la conexión hacia el microcontrolador hasta ciertos componentes extras requeridos para el correcto funcionamiento del módulo.


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Al integrarse al prototipo final, éste se estará alimentando con 5v por el conector micro USB del programador NoMADA, por esta razón se tuvo que implementar al diseño un regulador de voltaje de 5v a 3.3v LF33CV para el uso de los módulos de comunicación y la pantalla táctil.

2.5 Desarrollo de sistema para controlar la intercomunicación entre dispositivos

Para controlar la intercomunicación fue necesario implementar un sistema extra que nos permitiera la interacción de los diferentes componentes del sistema desarrollado como la pantalla y los diferentes módulos de comunicación inalámbrica. Para controlar esto se utilizo un Buffer del tipo SN74LS244.

En la Figura 7 se puede observar la configuración de los pines del Buffer, configuración que nos permitió implementar el sistema deseado para el control de las salidas y entradas de las señales que van a los diferentes módulos y que nos dio como resultado el diseño del esquema del primer prototipo del sistema como se puede observar en la Figura 8.

Figura 8 - Configuración de los pines del Buffer. “Anónimo”. (2010). Recuperado de

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74ls240.pdf

Figura 9 - Diagrama Esquemático del Prototipo


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Figura 9 (A) - Diagrama Esquemático del Prototipo

Figura 9 (C) - Diagrama Esquemático del Prototipo

Figura 9 (B) - Diagrama Esquemático del Prototipo

Para realizar el diseño de la placa del circuito impreso se utilizo el software Altium Designer,

Altium Designer es un conjunto de programas para el diseño electrónico en todas sus fases y para todas la disciplinas, ya sean esquemas, simulación, diseño de circuitos impresos [w3]. El resultado del diseño del prototipo de nuestro sistema se puede observar en la Figura 10.


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Para la fabricación de las tarjetas de circuito impreso se ha utilizado una maquina de circuitos impresos LPKF que se encuentra en las instalaciones de la UAQ.

Figura 10 - Diseño del prototipo a dos caras en Altium

2.6 Diseño y fabricación de carcasa en impresora 3D

Para asegurar una mayor durabilidad y conservación del prototipo desarrollado se opto por diseñar una carcasa a la medida del prototipo. Para realizar dicho diseño se utilizo el software de diseño asistido por computadora (CAD) en 3D Solid Works y en las figuras 11 y 12 podemos observar el diseño final.

Figura 11 - Diseño de la carcasa

Figura 12 - Diseño de la carcasa

Para la fabricación de la carcasa se utilizó una impresora 3D que se encuentra en las instalaciones de la Universidad Autónoma de Querétaro.

3. Análisis de resultados

Los resultados obtenidos fueron un prototipo de nuestro sistema embebido que se puede observar en las Figuras 13 y 14. Este prototipo cuenta con los componentes necesarios para


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realizar interconectividad de dispositivos mediante el sistema NoMADA y módulos WiFi, Bluetooth y ZigBee. En las Figuras 15 y 16 se puede observar el diseño del prototipo final con la carcasa colocada.

Figura 13 - Prototipo Final

Figura 14 - Prototipo Final

Figura 15 - Prototipo final con carcasa

Figura 16 - Prototipo final con carcasa

Otro producto del desarrollo del proyecto fue la elaboración de un manual de practicas que

fuimos desarrollando gracias a toda la información que se proporciona al usuario por parte de Solace Labs y NoMADA y que nos permitieron conocer mejor la herramienta pilar del proyecto.

En las diferentes prácticas se lleva paso a paso la realización de actividades que permitirán

al usuario aprender y comprender los diferentes aspectos que forman un sistema de comunicaciones inalámbricas, esto con el propósito de que vean las capacidades que posee el sistema desarrollado y la capacidad de desarrollo que provee.

Con el prototipo desarrollado, se cuenta con un sistema completo con el cual se podrán

realizar practicas, pruebas y experimentación con comunicaciones inalámbricas para el desarrollo de conocimiento en telecomunicaciones, así como para la realización de interconectividad entre equipos y sistemas de cómputo.

4. Conclusiones

Se diseñó un prototipo de un sistema embebido que contiene interfaces de conectividad inalámbrica WiFi, Bluetooth y ZigBee y que se pone al alcance de los estudiantes para que sirva como una herramienta que impulse el desarrollo de conocimiento y sea de apoyo escolar para los alumnos de la Ing. en Telecomunicaciones y Redes.


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El prototipo es ideal para que puedan utilizarlo los estudiantes en diversos proyectos relacionados con telecomunicaciones pues tiene la facilidad de poder ser adaptado a las necesidades específicas del estudiante para utilizar solamente aquellos módulos que considere pertinentes y colocándolos en las interfaces destinadas para cada módulo y hechas a la medida de los módulos Bluetooth RN42xv, Xbee ZigBee Pro S3B y WiFi ESP8266, además de que, en caso de desearlo, podrán utilizar una pantalla táctil que se encuentra integrada en el prototipo.

Los kits de sistemas de comunicaciones son costosos, y en muchos casos de difícil alcance para los estudiantes. Es por esto que se desarrollo un kit para que los estudiantes pudieran tener acceso a él y que puedan utilizar en diversos proyectos relacionados con telecomunicaciones. El kit va a poder ser adaptado a las necesidades específicas del estudiante y utilizar solamente aquellos módulos que considere pertinentes.

El prototipo desarrollado aun queda abierto a posibles expansiones de capacidad del sistema, con la finalidad de siempre mejorar su funcionamiento y la capacidad de aplicación que posee. Un ejemplo muy claro de la utilidad y alcance de este prototipo es el manejo de robots móviles a distancia o control inalámbrico de dispositivos gracias a los módulos que incluye y la pantalla táctil que puede ser utilizada para crear interfaces gráficas que ayuden al manejo de la interconectividad entre dispositivos.

Referencias

[1] Aceves M. & Ramos J. “Fundamentos de Sistemas Embebidos - Mediante Lenguajes Descriptivos de Hardware“, Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C., México, 1ra Edición, 2012.

[2] Galeano, G. “Programación de sistemas embebidos en C”, Alfaomega, México, 1ra Edición, 2009.

[3] Acevedo G. “Reflexiones sobre la Enseñanza en el Diseño de Sistemas Embebidos”, Revista Especializada en Ingeniería, Volumen 7 2012.

[4] Solace Labs, “Manual de conexión eléctrica NoMADA”, Revision B, 2014. [5] Eslava V. “Aprendiendo a Programar Paso a Paso con C”, Bubok Publishing, España, 1ra

Edición, 2012. [6] Digi International, “An Introduction to Wi-Fi”, 2008. [7] Stanislav S. & Kresimir M. “ZigBee wireless standard”, Proceedings ELMAR 2006, 48th

International Symposium ELMAR, Zadar, Croatia, 2006. [w1] Nomada Electronics, https://nomada-e.com/, consultado el día 23 de Junio de 2016. [w2] Bluetooth, https://www.bluetooth.com/what-is-bluetooth-technology/bluetooth-technology-

basics, consultado el día 24 de Junio de 2016. [w3] Altium http://www.altium.com/altium-designer/overview, consultado el día 24 de junio de 2016.


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Diseño y Construcción de un Robot Móvil Omni-Direccional Autónomo de 9 Grados de Libertad

García-Sillas, Daniel 1; Gorrostieta-Hurtado, Efrén 2; Gonzalez-Gutierrez Arturo 3

[email protected], [email protected], [email protected]

Universidad Autónoma de Querétaro (1) Facultad de Informática, (2) (3) Facultad de Ingeniería

Resumen En el siguiente artículo se presenta una descripción detallada del diseño y construcción de un robot móvil omni-direccional autónomo de 9 grados de libertad (DoF –Degrees of Freedom). Complementario a la construcción del robot, se construyó una interfaz de operación para controlar a distancia el robot también, con la finalidad de analizar los primeros movimientos y el comportamiento físico del prototipo. Para lograrlo, se hizo uso de una conexión inalámbrica para comunicarse con el robot y observar velocidad y posición de los motores así como el estado de los sensores. El robot fue construido para navegar sobre un suelo plano y está destinado a ser utilizado en aplicaciones de interior. El robot funciona con una batería y ofrece una plataforma de desarrollo de software abierto. También se construyó aplicando componentes de última generación pero conocidos y fáciles de conseguir. La construcción de este robot tiene por objeto el estudio de la inteligencia artificial aplicada en robótica. Palabras clave: Robótica, inteligencia artificial, aprendizaje automático, cinemática.

1. Introducción La creación de un sistema verdaderamente autónomo e inteligente que pueda detectar, aprender e interactuar con su entorno, que puede integrarse a la vida del día a día con seres humanos ha sido siempre el factor de motivación para muchos grupos de investigación en la inteligencia artificial, en la teoría de control y robótica y otras disciplinas [4]. La tecnología utilizada es muy compleja y multidisciplinaria, la cual presenta retos para los investigadores [6]. A pesar de los innumerables obstáculos, la comunidad de investigación ha logrado grandes avances al respecto. Esto es una evidencia de las innovaciones en las áreas sensores, modelado y control, construcción de mapas y planificación de la trayectoria, la inteligencia artificial y la toma decisiones y diseño de la arquitectura del sistema. Los robots móviles participan en interacciones sofisticadas e inteligentes con diferentes entidades como objetos en general, humanos, o incluso otros robots, esto con el uso de la capacidad de detectar y percibir. Es por ello que los sensores son cruciales para el funcionamiento de los robots móviles autónomos, dándoles la capacidad de percibir el entorno de forma dinámica. Además del amplio uso de robots en los últimos años, la investigación en métodos de control para máquinas complejas y robots se ha convertido en un tema de tendencia [8]. Los sistemas autónomos se han convertido en parte de nuestras vidas y esto ha despertado el interés de muchos grupos de investigadores en el área de robótica y mecatrónica. Esto es muy notorio, ya que cada vez podemos encontrar sistemas más inteligentes y autónomos que antes, debido a la aplicación de


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componentes que consumen menos energía y ofrecen mayor funcionalidad, tal es el caso de sensores de posición que no solo ofrecen posición pero incluso orientación; cámaras con la posibilidad de procesamiento, micrófonos, etc. Por ende nuevas y emocionantes aplicaciones se pueden encontrar en los sistemas de robots móviles, y una de estas es el incremento del uso de robots autónomos que son capaces de desenvolverse en terrenos no estructurados y escabrosos como terrenos irregulares, minas, sitios de desastre, etc. Algunos de estos ejemplos son las exploraciones hechas ya a Marte [5]. Para poder enfrentarse a algunos de los desafíos a los que se presentan, el diseño de los robots debe evolucionar de una configuración tradicional a diseño que un mayor número de articulaciones para darle mayor movilidad para moverse en diversos tipos de terrenos modificando su propia configuración o morfología. En la siguiente sección de este documento se describe una construcción de un robot autónomo omnidireccional con 9 grados de libertad, basado en una estructura reconfigurable

2. Modelo Cinemático y Simulación. La cinemática es el estudio más básico de cómo se comporta un sistema mecánico. En robots móviles, se requiere de entender el comportamiento mecánico de un robot, en parte para diseñar un robot apropiado para ciertas tareas y por otro lado, para poder crear software de control para cierta instancia de hardware robótico [7]. A partir del estudio cinemático del robot se pueden obtener dos modelos, el modelo cinemático directo y el inverso. El directo, es una fórmula generada que da como resultado el como el robot se mueve, dada su geometría y las velocidades de las llantas [1]. El modelo inverso da como resultado las velocidades de las llantas que el robot requiere tener para lograr llegar a una posición.

2.1 Cinemática. El robot que se presenta aquí ha sido estudiado y se ha desarrollado un modelo cinemático que encaja en una de las configuraciones más típicas, además de haberse aplicado en un ambiente simulado también. El estudio está basado en la geometría de la figura 1 [3]:

Figura 1. Estructura cinemática del robot.


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Donde la posición global del robot se representa por {C}, la velocidad lineal del robot por !, y "# la velocidad angular. {$%} Denota la articulación i-ésima del brazo, {&%} la articulación conectada a la rueda y {'%} el punto de contacto de la i-ésima rueda. El ángulo del brazo está dado por (% y el ángulo de la rueda por "%. El modelo cinemático fue también desarrollado bajo las siguientes restricciones:

• El robot se moverá en una superficie plana. • El robot no incluye componentes flexibles. • Se pretende su uso en ambientes bajo techo.

La siguiente ecuación Jacobiano representa el modelo cinemático directo:

) * +"!, =-./0 123 123413 513 5135136 5136 51367

89 : )";*"4*"3*, (1)

La velocidad del robot está representado * y +, y la velocidad angular por "!. Las velocidades de cada una de las ruedas está dado por ";*, "4* y "3*. L representa la longitud del brazo y R el radio de la rueda. El Jacobiano inverso se expresa como sigue:

)";*"4*"3*, =-./0 ;1 5612341 5;41 5612341 5;41 561 7

89 : ) * +"!, (2)

2.2 Simulación. La simulación del robot utilizando las ecuaciones del modelo obtenido fue realizada en un ambiente gráfico tridimensional. Las partes gráficas del robot fueron dibujadas utilizando una herramienta CAD. Después las partes fueron integradas dentro de un ambiente que permite la integración de las ecuaciones y la manipulación de los objetos gráficos con Matlab®. La figura 2, muestra una secuencia de imágenes de un movimiento de prueba utilizando el modelo cinemático directo.

Figura 2. Secuencia de movimiento rotacional del robot.


87

La figura 3, representa el movimiento lineal del robot, en una secuencia de fotos en donde el robot se aproxima de manera constante a un objeto cuadrado, en esta secuencia también se utiliza el modelo cinemático:

Figura 3. Secuencia de movimiento lineal del robot.

3. Construcción del robot.

Motivado por la plataforma simulada, se construyó un primer modelo físico siguiendo la misma estructura (ver figura 4). Se consideran los nueve grados de libertad, en cada extremidad se instalan dos servomotores controlados por PWM y un motor de DC para aplicar movimiento.

Figura 4. Primer modelo físico construido del robot móvil omni-direccional. De aquí una segunda versión surge, donde se implementan mejoras significativas al primer diseño, dentro de ellas las dimensiones, el cuerpo del robot se propone más grande para poder alojar


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componentes con mayor capacidad como baterías y tarjetas electrónicas. El cuerpo queda más elevado. Los componentes seleccionados para mover las articulaciones y las ruedas, son servo motores Dynamixel modelo AX-18 [2], los cuales pueden realizar funciones de control de movimiento así como de llanta sinfín [2], todo ello realizando un par de configuraciones. Los AX-18 son servomotores digitales que permiten su configuración y operación a través de una comunicación serial (half-duplex) y estos retroalimentan con su actual posición y velocidad, así como temperatura, voltaje, y otros parámetros. Para el control de los servomotores y adquisición de datos se selecciona una tarjeta electrónica Arduino modelo Mega 2560 que cuenta con diversas entradas y salidas tanto digitales como analógicas, así como cuatro puertos de comunicación serial, necesarios para la comunicación entre los servomotores y la tarjeta maestra. La tarjeta maestra es una Raspberry pi 2 y es utilizada para ejecutar los algoritmos de control de movimiento y a su vez envía y recibe datos de posición y velocidad de la tarjeta Arduino. Abajo una lista de los componentes utilizados:

Tabla 1. Lista de componentes. Cantidad Descripción. 1 Tarjeta Raspberry pi 2. 1 Tarjeta Arduino Mega 2560. 9 Servo motores Dynamixel AX-18A. 6 Sensores de distancia analógico de 10 a 80 cts. de alcance. 1 Módulo de comunicación inalámbrica Wi-fi. 1 Batería de 11.1 Vcd. 1 Batería de 5 Vcd. 1 CI 74LS241 1 Tarjeta perforada para montaje de componentes. 1 Interruptor de 2 polos / 1 Tiro.

a) b) c) d) Figura 5. Diseño en SketchUp® del robot omni-direccional. De izquierda a derecha a) representa el robot completamente ensamblado, b) es el cuerpo del robot con las extremidades sin la tapa superior, c) es el

cuerpo del robot el cual fue impreso y d) es la tapa superior también impresa con material ABS. El diseño del modelo (ver figura 5) fue hecho en SketchUp®, lo que permitió como resultado el poder utilizar el archivo de salida en una impresora 3D. Esto nos permite obtener una gran precisión en la construcción del robot, lo que facilita el montaje de los componentes.


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4. Resultados. El producto que se obtiene del presente es un robot funcional de 9 grados de libertad omnidireccional y autónomo como el que se ilustra en la figura 6 (izquierda). Para realizar pruebas funcionales de movimiento fue necesario escribir una aplicación de software dentro de la tarjeta de control Raspberry (derecha). El cuerpo del robot incluyendo la tapa fue impresas con PLC (Ácido Poli láctico) el cual es un filamento biodegradable obtenido de almidón de maíz. Para el montaje de las extremidades del robot se utiliza el herraje original de Dynamixel.

Figura 6. Robot omni-direccional autónomo de 9 grados de libertad e interface de operación (izquierda). Interface de operación del robot (derecha).

La interface envía comandos de movimiento al robot y de igual forma adquiere la información de posición y velocidad de todas las articulaciones, así como de los sensores instalados alrededor del robot mostrados en el recuadro “Sensors Monitor”. El recuadro “Comm strings”, despliega las cadenas con las que intercambia información la tarjeta Raspberry y Arduino mega. Una trayectoria generada por el robot, empleando la interface mencionada anteriormente de la figura 6, se muestra en la figura de abjao (figura 7). Es un ejemplo del seguimiento de la posición del mismo robot, controlando la misma dirección en las llantas y a una velocidad constante.

Figura 8. Diagrama eléctrico del robot.


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La figura 8, muestra el diagrama eléctrico del robot. Se observa la red de servomotores conectados todos con tres hilos, dos de ellos llevan energía (11.1 Vcd) y el tercero es utilizado para comunicación conmutada RS-232 (half-duplex). Un TTL 74241 se utiliza para conmutar entre la transmisión y recepción. La comunicación con los servos es controlada por una tarjeta Arduino utilizando uno de los puertos seriales. Otro puerto serial de la tarjeta Arduino se conecta con la Raspberry lo que permite la comunicación bidireccional de los comandos de velocidad y posición de los servos y para lectura de parámetros de los mismos servos así como de los sensores de distancia infrarrojos que están conectados a las entradas analógicas de la Arduino.

Figura 8. Diagrama eléctrico del robot.

5. Conclusiones La intención de construir una plataforma robótica es la de tener herramientas para poder probar algoritmos de inteligencia artificial y observar el comportamiento que tienen en el mundo real. De esta manera, se logra la elaboración de un robot móvil omnidireccional funcional que permite ejecutar programas de cómputo diversos. El robot incluye sensores ópticos de distancia que le permiten obtener una retroalimentación sobre posibles obstáculos en su recorrido. Actualmente, el prototipo se encuentra listo después de una etapa de pruebas de todos los componentes así como de la comunicación de las tarjetas controladoras las cuales cuentan con la programación para ejecutar movimientos básicos en modo de operación manual desde una interface gráfica. Aunque el robot se encuentra funcional completamente y se han realizado pruebas ya con algoritmos de inteligencia artificial, este presenta algunas oportunidades de mejora, como la eliminación de una de las baterías para poder utilizar una sola, y en su momento pudiera incorporarse un sistema de carga de batería en el mismo robot. También, pudiera ser que el control pueda ser alojado en una sola tarjeta y de esta forma minimizar el consumo de energía y prolongar la vida de la batería.


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Diseño de un Robot Neumático de 6 Grados de Libertad

González Castillo Edgar Eduardo1, Ramos Arreguín Juan Manuel2, Talavera

Velázquez Dimas2

1Universidad Tecnológica de San Juan del Río, 2Universidad Autónoma de Querétaro.

Resumen El problema principal en los actuadores eléctricos es, cuando tienen que soportar más peso del que pueden cargar, generando una subida de la corriente eléctrica, provocando que los motores se dañen. En este trabajo se presenta el diseño de un robot neumático con 6 grados de libertad, con el fin de tener una mayor relación ganancia-peso en comparación de los motores eléctricos. Al diseñar un robot con actuadores neumáticos y poder implementar un sistema de control se estaría avanzando en el estudio de esta área, ya que es bien sabido que los sistemas neumáticos son difíciles de controlar. Se presentan imágenes del diseño del robot utilizando SolidWorks, de manera que se pueda simular su funcionalidad. En la implementación, el trabajo se ha dejado hasta los 3 grados de libertad, por causa de tiempo, y para evaluar el comportamiento parcial del robot hasta este punto. Se presenta el diseño de las tarjetas electrónicas de la etapa de potencia, así como del microcontrolador. Palabras clave: Robots, neumática, diseño, actuadores, control, electrónica.

1. Introducción

En este trabajo se presenta el diseño de un robot neumático con 6 grados de libertad, donde se tiene la tarea de investigar diferentes arquitecturas de los robots y desarrollar la metodología correspondiente para poder llevar a cabo el proyecto. El robot neumático tendrá diversas tareas, tales como limpiar superficies de zonas donde al ser humano le es difícil llegar y manipular objetos de un lugar a otro.

Los movimientos de los robots se logran gracias a la unión de los actuadores con sus

eslabones. Existen 3 tipos de actuadores y suelen ser destinados para distintas aplicaciones. A continuación, se hablará un poco acerca de ellos.

Los actuadores eléctricos poseen una gran desventaja, pueden llegar a dañarse cuando son

sometidos a sobrecarga, esto se debe a, que la corriente aumenta cuando el actuador tiene que soportar sobrecarga.

Los actuadores hidráulicos son usados ampliamente en la industria y en otras aplicaciones, ya

que logran soportar grandes cantidades de peso, sin embargo, en este proyecto no tendrían lugar, puesto que requieren de mucha limpieza y el robot que se diseñará no requerirá soportar tanta carga.

Los actuadores neumáticos al tener una sobrecarga simplemente no se mueven, esto los

protege de dañarse, ya que solo se está utilizando aire.

Considerando la ventaja del actuador neumático sobre el eléctrico, se diseñará un robot neumático con 6 grados de libertad. Por tiempo solo se alcanzará a implementar físicamente hasta 3


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grados de libertad. Se verificará el funcionamiento de las 3 articulaciones, por medio de una tarjeta que se diseñará en el transcurso del proyecto.

2. Antecedentes El desarrollo de trabajos sobre actuadores neumáticos ha tenido una evolución importante, como se muestra a continuación. En 2011, Emmanuel Guillen presenta la implementación en hardware de un algoritmo difuso para controlar la posición de un actuador neumático instalado en un brazo robótico de un grado de libertad. Utilizó un FPGA Spartan-3 para realizar las pruebas prácticas [8]. Juan Manuel Ramos en el año 2011, presenta un Controlador Difuso, cuyo modelo consiste en un conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales, aplicado a un robot de un grado de libertad. Este proyecto permite controlar la no-linealidad del sistema neumático, y al utilizar una tarjeta FPGA permite desarrollar el control en un Sistema Embebido, lo cual posibilita que se tenga un control en tiempo real [11]. En el 2012, se presenta un robot neumático de precisión para la realización de neurocirugía [5]. Así mismo, en el 2013 se presenta el trabajo donde se desarrolla un actuador electro-neumático con músculos artificiales [13]. Es presentado un trabajo sobre el desarrollo de un nuevo brazo robótico que tiene como una parte básica, un actuador neumático [14]. También los robots neumáticos han sido utilizados, tanto en rehabilitación [7], [2], [6], como en robots industriales [1], [15], [3], [4]. Así mismo, se ha evolucionado al desarrollo de robots insectos [12], y el uso de técnicas de control para un actuador neumático [9].

3. Metodología En la Figura 1 se muestra los pasos que se siguieron para el desarrollo del proyecto.

Figura 1. Metodología.

Estudio de

arquitecturas y

tipos de robots

Acordar mejoras

al prototipo previo

Estudio de

material a utilizar

Diseño en

SolidWorks

Electrónica Pruebas y resultados finales


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3.1 Estudio de arquitecturas y tipos de robots

Hoy en día existen distintos tipos de robots con diferentes arquitecturas. Cada robot tiene una finalidad distinta que los puede hacer únicos. A continuación, se mencionarán los tipos de robots más comunes:

· Móviles: pueden ser clasificados de acuerdo con el medio en el que se desplacen, por ejemplo: terrestres, marinos o aéreos.

· Humanoides: son conocidos de igual forma como androides, los cuales son máquinas con forma humana capaces de imitar movimientos de los seres humanos como: caminar, hablar, bailar, trasladar objetos y jugar deportes.

· Industriales: son conocidos de igual forma como brazos mecánicos y suelen definirse como manipuladores con distintos propósitos, reprogramables y que pueden ser controlados automáticamente en 3 o más ejes. Tienen gran importancia en el sector industrial y son una herramienta clave en la modernización en las empresas.

· Domésticos: tienen la finalidad de realizar tareas del hogar sirviendo como aspiradoras, lavarropas, modificando su comportamiento de forma autónoma dependiendo el medio en el que estén trabajando.

· Médicos: Son usados como apoyo durante la intervención médica sobre los seres humanos y como complemento para las personas con capacidades diferentes.

Todos estos sistemas involucran una inmensa cantidad de cosas en su interior. Por ejemplo, en las articulaciones puede haber actuadores capaces de permitir la conexión y movimiento entre 2 eslabones consecutivos del robot, generando movimientos lineales o rotacionales. En cualquier arquitectura se pueden encontrar unidades de procesamiento, entrada y salida. Los sensores proporcionan información del estado del robot y tienen una gran importancia en la arquitectura de estas máquinas.

3.2 Diseño de las modificaciones al prototipo Este trabajo es la continuación del proyecto del robot neumático, ya se contaba con un primer prototipo, el cual estaba conformado por 2 actuadores neumáticos, un motor y un pistón. En la figura 2 se puede apreciar el motor neumático acoplado en la base, el cual hacer girar al robot, mientras que el pistón sólo se utilizaba para levantar un eslabón.

Figura 2. Primer prototipo del robot neumático.


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Se planeó modificar este primer prototipo con el fin de hacerlo con 6 articulaciones. Se acordó dejar la base con el motor neumático acoplado y no era necesario diseñar una nueva (figura N° 3). El pistón de igual manera se va a conservar para el segundo grado de libertad.

Figura 3. Base del robot.

En la figura N° 4 se puede apreciar más a detalle la forma del mecanismo y se nota que ciertas partes son hechas de madera. La madera debía ser sustituida por algún otro material. Se acordó que el mecanismo impulsor debía ser cambiado.

Figura 4. Mecanismo.

El mecanismo debía levantar un eslabón ofreciendo mayor libertad de movimiento con menos elementos. El nuevo diseño se basó en el siguiente modelo, el cual era sencillo de desarrollar, con muy pocos elementos mecánicos, ofreciendo libertad de movimiento (figura 5).


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Figura 5. Mecánismo impulsor.

3.3 Estudio de material a utilizar Para empezar con el diseño, previamente se requirió realizar una búsqueda de actuadores comerciales que se necesitaran, ya que en base al tamaño de éstos se harían los mecanismos de cada articulación. Los actuadores neumáticos consultados son los siguientes:

· Motor neumático FESTO DSMI-40-270-A-B. · Cilindro neumático SMC CM2YC32-150. · Cilindro neumático SMC CD85N20-100C-B. · Motor neumático SMC CRB2BW30-270SZ. · Motor neumático SMC CRB2BW20-270SZ. · Motor neumático SMC CRB2BW15-270SZ.

Los 2 primeros actuadores neumáticos mencionados son con los que ya cuenta el primer prototipo de robot neumático.

3.4 Diseño en SolidWorks El software de diseño que se utilizó fue el SolidWorks, ya que es sencillo de usar y permite al usuario crear diferentes piezas en 3D a escala y hacer distintos ensamblajes, que permite observar el modelo a escala ya terminado. El software se ha utilizado para diseñar las piezas del robot, y posteriormente, con el dibujo a detalle se tomaron las medidas para desarrollarlas físicamente. En el primer grado de libertad no se realizó ningún cambio, ya que fue diseñado e implementado físicamente. Para el segundo y tercer grado se usó el nuevo mecanismo impulsor, sólo se adecuaron las dimensiones para la tercera articulación. Para evitar que el eslabón acoplado a la segunda y tercera articulación (segundo eslabón) no chocase con el piso o la base, se alargó la columna principal del robot (primer eslabón) hasta 70 cm. De igual manera, para garantizar la resistencia del robot se implementaron los 2 primeros eslabones con tubular cuadrado de acero. Con estos datos se tienen nuestros 3 primeros grados de libertad (figura 6).


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Figura 6. 1er, 2do y 3er articulación. El mecanismo de las últimas 3 articulaciones debe ser el mismo, ya que los actuadores son motores neumáticos de diferente tamaño (se adecuaron las dimensiones para cada articulación). Para el diseño, sólo se hizo una pequeña base redonda, donde se pudiera atornillar el motor neumático dejando descubierta la flecha, con el fin de incorporar un cople con un tornillo opresor, el cual conecte al siguiente eslabón (figura N° 7). En el eslabón para el 6to grado, aparte de tener el acoplamiento con el motor, se incorporará un gripper o sujetador neumático, para que manipule los objetos que se deseen sujetar (no se incluye en la simulación).

Figura 7. 4ta, 5ta y 6ta articulación. En la figura N° 8 se puede apreciar el diseño completo del robot neumático de 6 grados de libertad en SolidWorks.

Figura 8. Diseño completo del robot (sin incluir gripper).


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3.5 Electrónica

Para el desarrollo de las tarjetas PCB, previamente se deben tener en cuenta ciertas consideraciones:

· Para controlar los actuadores neumáticos se debe tener la disposición de electroválvulas SMC SY5320-6LZ-01, las cuales tienen 2 solenoides por ambos extremos, las cuales son ideales para trabajar con actuadores de doble efecto. Se requiere regular el caudal del aire para el accionamiento de los actuadores.

· Se acoplarán las reguladoras de caudal a unos motor-reductores, y éstos deben ser controlados

por un microcontrolador. El motor requiere contar con un encoder para detectar la posición. El acoplamiento físico de los motores con las reguladoras de caudal se realizará posteriormente, por disponer de poco tiempo.

· Las electroválvulas deben ser alimentadas con 12 V, los motor-reductores de 6 V a 12 V y el

circuito de control con 5 V. No se deben colocar tantas fuentes de alimentación en el circuito, así que se acordó regular el voltaje de 12 V a 5 V con el circuito integrado LM317 para el circuito de control. Los motores deben alimentarse con una fuente exclusiva, debido a la demanda de corriente en ellos.

· Por cada articulación se harán 2 tarjetas (12 en total). Una tarjeta se usará para el control con

un microcontrolador ATMEGA328P y la otra tarjeta tendrá todas las etapas de potencia y conexiones externas como: motores, electroválvulas, sensores, etc. La tarjeta de potencia se diseñó para que pueda usarse con la tarjeta de control con microcontrolador y un FPGA.

· Las PCB fueron diseñadas lo más compactas posibles para disminuir espacio. Para la

disminución de espacio se usarán resistencias y capacitores de montaje superficial.

· Las tarjetas serán de doble cara, es decir, que los componentes se coloquen tanto en la cara exterior como en la interior. Esto hará más compacta la tarjeta y facilitará la conexión de un componente con algún otro.

Al tener las consideraciones, se empezó con el diseño de las 2 tarjetas con ayuda de un software asistido por computadora llamado Altium Designer (figuras 9 y 10).

Figura 9. Diseño de PCB para potencia.


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Figura 10. Diseño de PCB para microcontrolador.

4. Pruebas y resultados finales Después de tener en la computadora todos los diseños de las piezas para el robot y el diseño de las 2 tarjetas PCB se implementará todo de forma física.

4.1 Desarrollo de las piezas metálicas para el robot El material a utilizar fue acero para el segundo y tercer grado de libertad. El primer grado de libertad está hecho de aluminio. Para las articulaciones restantes se espera usar aluminio para disminuir el peso. Para fabricar las piezas se requirió del uso de las herramientas: una esmeriladora, un centro de maquinado CNC y un torno convencional. En la esmeriladora se fabricaron las piezas más fáciles de construir y las que no requirieron de precisión en las medidas. Las piezas más complicadas que requerían mayor precisión en las medidas fueron hechas en el centro de maquinado CNC (figuras 11 y 12).

Figura 11. Piezas siendo maquiladas en el centro de maquinado CNC.


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Figura 12. Pieza redonda maquilada en el centro de maquinado CNC. Se fabricó un cople de aluminio en el torno (figura 13). El cople se usa para la unión del tercer actuador neumático CD85N20-100C-B con la tercera articulación.

Figura 13. Pieza de aluminio siendo maquilada en el torno.

Al tener todas nuestras piezas físicas, se ensambló el robot, tal y como está en nuestro diseño de SolidWorks. Para el ensamble se usaron tornillos de distintas medidas, rondanas de distintos tamaños, remaches, y tuercas de seguridad.

Figura 13. Ensamble final.


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4.2 Desarrollo físico de las tarjetas PCB Para la implementación física de los diseños hechos en Altium Designer, sólo se enviaron los archivos para que pudieran ser maquiladas en una máquina que fabricó las pistas y las perforaciones como se puede ver en las figuras 14 y 15.

Figura 14. Tarjeta PCB para microcontrolador (cara externa y cara interna).

Figura 15. Tarjeta PCB para potencia (cara externa y cara interna). Después de tener las tarjetas perforadas, se soldaron los componentes electrónicos a sus respectivas tarjetas empezando por las resistencias y capacitores de montaje superficial (figura 14).

Figura 14. Tarjetas PCB finalizadas.

Para evaluar si el circuito funcionaba correctamente se verificó, al conectar el circuito a la energía eléctrica, para que los voltajes regulados permanecieran estables y después se probó que los motores y las electroválvulas funcionaran con la tarjeta de potencia.


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5. Conclusiones A pesar de que se planeó la implementación física de todos los grados de libertad, por causa del tiempo, se complicó el terminar lo planeado. Uno de los requerimientos de la construcción de este robot fue el construirlo poco a poco, ya que la creación del mismo no es un proceso fácil y era necesario seguir una metodología. Con ayuda de la metodología seguida desde un principio, se logró hacer lo que se planeó (robót con tres grados de libertad) de una forma gratificante, pues ya se cuenta con todo el diseño del robot y los diseños electrónicos necesarios para, posteriormente, implementar físicamente los últimos 3 grados de libertad y continuar con el control automático del robot. En el futuro se podrá continuar con el proyecto y espero que lo aportado hasta el momento sea de gran ayuda para seguir desarrollando este interesante robot neumático. Espero que, de ser necesario, se le puedan dar mejoras al diseño, logrando un mejor aspecto y una mejor libertad en el movimiento de las articulaciones.

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[15] Wait, K. W., & Goldfarb, M. (2014). A pneumatically actuated quadrupedal walking robot. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 19(1), 339-347.


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Prototipo de Vehículo Omnidireccional con Luz Propia

Betanzos-Rivera Luis Enrique, Cíntora-García Mayra Azucena, Pantoja-Núñez

Héctor Orlando, Ledesma-Cárdenas Juan José y Vargas-Soto José Emilio.

Universidad Autónoma de Querétaro.

Facultad de Informática – Facultad de Ingeniería

Resumen

Los vehículos omnidireccionales se enfocan en diversas tareas, las cuales pueden aplicar al

área de entretenimiento, la inspección de conductos de difícil acceso, el sector militar o de seguridad entre otros, debido a su principal característica la cual es el movimiento en cualquier dirección.

En el presente artículo se describe el desarrollo de un vehículo omnidireccional esférico, el cual puede desplazarse por relieves de baja o medianamente accidentados, con una destreza superior en comparación con un vehículo de cuatro llantas, debido a su capacidad de giro y de rotación. El vehículo cuenta con la capacidad de iluminación propia para su ubicación y un aumento en la calidad de captación de video y control vía inalámbrica móvil.

.

Palabras clave: Vehículo omnidireccional, robot esférico, iluminación propia.

1. Introducción

En la actualidad los desarrollos tecnológicos aplicados a robots han sido enfocados a la minimización del error en sus características principales. Hablando de robots para movimiento sobre una superficie o ruta sólida, estos suelen utilizar ruedas, orugas o patas (hexápodos) para su desplazamiento. El robot omnidireccional tipo esfera, surge del análisis de los errores de movimiento de los robots antes mencionados. Los robots tipo esfera, son principalmente constituidos por una carcasa esférica, la cual aloja en su interior los actuadores y su sistema de control para su desplazamiento, esto conlleva poder girar sobre su eje, teniendo un giro instantáneo para cambio de dirección. [1]

Diversos diseños y sistemas mecánicos para la locomoción de robots esféricos existen desde hace más de un siglo, todos desarrollados para ser utilizados en múltiples aplicaciones. El primer robot esférico fue patentado por JL Tale en 1893 [2]. Su modelo estaba constituido por un eje central, que al ser manipulado manualmente con un resorte, reposicionaba la masa interna y propulsaba la esfera en una sola dirección.

En 1889, un vehículo esférico para transportar personas fue construido por W. Henry para aplicaciones de la marina. El vehículo mantenía el equilibrio por la masa del lastre y el peso del pasajero. La superficie más externa de la esfera sería la que rodaría para avanzar.

En 2012 un Sistema Robótico Móvil Esférico con Capacidad de Telemetría y Posicionamiento por Geolocalización es desarrollado por el estudiante venezolano Juan Miguel Cols Giorgianni, de la Universidad Nacional Experimental Politécnica de Venezuela.

En cuanto a robots esféricos, específicamente con fines de exploración, el equipo de investigación Cybernetics Research Group de la Universidad Politécnica de Madrid desarrolló un prototipo llamado ROSPHERE, dicho robot se desplaza por sí mismo, cambiando su centro de gravedad, para llevar a cabo misiones y manifestando ser inherentemente estable. ROSPHERE fue puesto a prueba en distintos entornos y se demostró que es un robot adecuado para reunir información y puede ser usado para monitorear técnicas de cultivo [3].


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Con el paso del tiempo, el avance de la tecnología, y la aparición de nuevos problemas por resolver, los robots esféricos han cobrado mayor relevancia en las últimas décadas. Diversos artículos han sido publicados para exponer nuevas propuestas sobre las distintas implementaciones y diseños de robots esféricos cuyas características suponen grandes ventajas sobre los robots convencionales cuyo desplazamiento se da por medio de ruedas o piernas.

Investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica, de la Universidad de Nacional de

Taiwan, publicaron en 2013 un artículo titulado "Design and implementation of a ball-driven omnidirectional spherical robot" donde se expone el modelo de un novedoso robot esférico, llamado OmniQiu's, con la capacidad de locomoción omnidireccional y puede ejecutar trayectorias controladas. Dentro de su estructura exterior esférica se instaló una rueda impulsada por dos rodillos en configuración ortogonal, por lo que el movimiento omnidireccional del robot puede ser llevado a cabo por mapeo de cinemática directa. [4]

Figura 1. Visualización de OmniQiu’s.

El diseño del robot fue desarrollado para cumplir con las tres principales especificaciones

siguientes:

1) El robot emplea el método de control directo, el cual utiliza la potencia del motor para controlar al

robot directamente través del sistema de transmisión.

2) El robot debe de ser capaz de desplazarse en cualquier dirección en cualquier instante.

3) Utiliza el mínimo número de actuadores para lograr el desplazamiento deseado. [4]

Figura 2. Modelo final de OmniQiu’s.


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En el 2014 dos estudiantes de la Universidad de Kagawa, Japón y del Instituto Tecnológico de Beijing,

China desarrollaron un robot esférico anfibio, cuya estructura consiste en un hemisferio superior

sellado, dos cuartos de una esfera y una placa circular de plástico. Tiene un contenedor de plástico

para alojar micro-robot acuático de movimiento flexible y estructura compacta. El robot anfibio cuenta

con cuatro patas para el desplazamiento. Cada una de esas cuatro unidades está compuesta por un

propulsor acuático y dos servomotores los cuales pueden girar a 90 grados en las direcciones

horizontal y vertical. El robot es capaz de desplazarse tanto en tierra como por debajo del agua.

Cuenta con mecanismos de propulsión transformables, lo que le permite actuar en locomoción

terrestre como un cuadrúpedo y en medios acuáticos con propulsión náutica.

Los micro-robots pueden ser controlados para recolectar objetos que se encuentran debajo del agua o

pueden monitorear un entorno acuático en espacios restringidos. [5]

Figura 3. Diseño de robot anfibio.

2. Desarrollo del proyecto

Para la realización de este proyecto se llevaron a cabo diversas pruebas, con dos tarjetas diferentes de aplicaciones mecatrónicas y sistemas embebidos, en primer lugar la tarjeta NoMADA Pro+, que utiliza el microcontrolador Atmega328p y después la tarjeta Fez Panda III que trabaja con el microcontrolador G80. Al comparar los resultados de rendimiento de ambas tarjetas, se decidió que la mejor opción para el proyecto es la tarjeta Fez Panda III, debido a que la velocidad de procesamiento es mayor y contiene más puertos para control PWM, lo cual maximizaría la funcionalidad del robot. En la figura 1 se muestra la tarjeta de desarrollo NoMADA Pro+.


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Figura 4. Tarjeta NoMADA Pro+, Solace Labs

La Fez Panda III es una tarjeta de desarrollo de bajo costo controlada por un chip G80, que trabaja con la plataforma .NET Micro Framework. La integración que existe entre el hardware y el software de la tarjeta proporciona características de alto nivel, las cuales son, procesamiento de gráficos de alta velocidad, comunicación TCP/IP, y trabajar con API’s de .NET. En la figura 2 se muestra la tarjeta de desarrollo usada en el proyecto.

Figura 5. Tarjeta Fez Panda III

2.1 Control de motores

Para el control de motores se realizaron pruebas con diferentes tipos de PWM, las cuales nos ayudaron a encontrar la velocidad de cada motor, para estabilizarlos con el resto de los motores y controlar de una manera eficiente el robot en el cual se trabaja. Mediante estas pruebas con la tarjeta Fez Panda III corroboramos la eficiencia que se tiene en esta comunicación en cuanto a la pérdida de datos, la cual es muy baja y podemos seguir trabajando para mejorarla aún más. En la figura 3 se puede observar la conexión en protoboard de nuestros motores los cuales por bluetooth están siendo accionados. En la figura 4 se muestra uno de los motores usados en este proyecto, que trabaja a 30 RPM por minuto para obtener una torque más eficiente.


108

Figura 6. Control de motores con Fez panda III

Figura 7. Micro Motorreductor.

2.2 Comunicación inalámbrica.

La comunicación usuario-robot utiliza tecnología bluetooth, esto para desarrollar un control el cual permita dirigir al robot de forma inalámbrica, tratando como primera etapa este tipo de control.

Se utilizaron módulos de bluetooth Hc-05 los cuales permiten tener una comunicación full dúplex, convenientemente útil para verificar que los datos enviados sean los correctos. En la figura 5 se observa el módulo de comunicación utilizado para este proyecto. Para probar la recepción de datos en nuestro robot se utilizó la aplicación Blueterm la cual nos permite enviar datos y recibir con la finalidad de verificas visualmente que los datos sean correctos.


109

Figura 8. Modulo Bluetooth HC-05

En la figura 6 se muestra la aplicación desarrollada para el control inalámbrico de el vehículo, esta fue programada para teléfonos móviles con sistema operativo Android, la cual se conecta por medio de bluetooth y manda los valores para ordenar su movimiento,

Figura 9. App de control para vehículo.

En la figura 7 podemos observar la conexión de nuestra tarjeta Fez panda III con el modulo bluetooth el cual se encarga de recibir los datos para comenzar con el proceso de control del robot,


110

Figura 10, conexión de módulo Bluetoht.

2.2 Diseño esfera 3D. Para realizar nuestro diseño 3D de nuestra esfera, se utilizó el programa rhinocéros el cual nos

permite modelar en 3D, para poder crear el diseño esférico, primero se realizó un dibujo en el cual se obtuvieron medidas para después generar en rhinocéros una esfera con esas medidas y proceder a dividirla en ocho partes iguales, una de estas partes se agregó una pestaña con la cual ensamblara con otra pieza para ir formando la esfera final, solo se trabajaron dos piezas y se duplicaran hasta tener 4 piezas de la misma forma, al igual la segunda pieza se realiza lo mismo y de esta forma obtenemos las esfera completa que ensamble. En la figura 8 se observa el modelo 3D de la esfera el cual ya contiene todas las piezas listo para imprimir.

Figura 11. Diseño 3D esfera.


111

2.2 Impresión de esfera 3D. Se realizó la impresión 3D de nuestra esfera para utilizarla como la estructura del vehículo a

desarrollar, el material utilizado fue PLA, el cual es resistente a impactos, lo cual beneficia la resistencia de dicho vehículo, las dimensiones son de 19 cm de diámetro, el material es translucido, para que pueda iluminarse desde su interior, el material cuenta con la tracción suficiente para poder desplazarse.

Figura 12. Piezas de PLA para esfera.

3. Resultados

En esta sección se muestran algunos resultados obtenidos en el desarrollo del proyecto, tanto

del sistema esférico como de los componentes electrónicos, la programación realizada, las pruebas que nos ayudan a validar el funcionamiento de nuestro prototipo, las partes en las cuales nuestro prototipo funciona como se esperaba y en cuales se tendrá que trabajar para mejorar.

Para comprobar el buen funcionamiento de nuestro prototipo, se realizan pruebas de velocidad en los motores, la pérdida de datos en la comunicación inalámbrica que se realizó y prueba de conducción.

3.1 Pruebas.

3.1.1 prueba de velocidad en los motores

En la Tabla 1 se hicieron pruebas con los motores delanteros usados para nuestro robot esférico,

los cuales muestran la desviación que se obtiene al seguir una línea recta con diferentes valores en pwm de los motores, con el fin de obtener la velocidad máxima a usar y que este avance lo más directo posible a donde se le ordene, la tabla 2 es la misma prueba realizada con los motores traseros, para verificar el buen funcionamiento del robot final.


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Tabla 1. Desviación de distancia de motores

delanteros.

Prueba Distancia Motor 1 Motor 2 Desviación

1 1 M 250 pwm 250 pwm 20.6 cm

2 1 M 250 pwm 255 pwm 24.1 cm

3i

1 M 250 pwm 245 pwm 9.3 cm

4i

1 M 255 pwm 240 pwm 2 cm

4 1 M 255 pwm 239 pwm 0.2 cm

Tabla 2. Desviación de

distancia de motores traseros.

Prueba Distancia Motor 1 Motor 2 Desviación

1 1 M 250 pwm 250 pwm 18 cm

2 1 M 250 pwm 255 pwm 15.2 cm

3i

1 M 245 pwm 255 pwm 3.5 cm

4i

1 M 242 pwm 255 pwm 0.9 cm

5 1 M 241 pwm 255 pwm 0.1 cm

3.1.2 Prueba de pérdida de datos en comunicación inalámbrica.

En la Tabla 3 se hicieron pruebas con el envió de datos vía bluetooth en nuestro código para

reducir cualquier error posible con la transición de las órdenes para direccionar nuestro robot.

Tabla 3. Envió de datos

mediante nuestro control bluetooth

Prueba Datos enviados Datos recibidos Error porcentual

1 100 100 0.0%

2 1,000 1,000 0.0%

3i

5,000 4,998 0.04%

4i

7,000 6,997 0.042%

5 10,000 9,995 0.05%

3.2 Resultados Los resultados obtenidos hasta el momento son diseño y construcción del sistema de control de

un robot móvil, el diseño y la manufactura de la estructura esférica, y la comunicación implementada vía Bluetooth. El resultado de integrar los diversos componentes del robot nos da una buena experiencia sobre la ingeniería de éste tipo de máquinas.


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4. Conclusiones

Los robots esféricos ya existentes suelen ser de complejo control y funcionamiento, pero con este proyecto buscamos desarrollar un robot cuya implementación del control de movimiento sea sencilla. Con los avances de la construcción del prototipo en curso, descubrimos el potencial que tiene dicho robot para la exploración en lugares de dimensiones pequeñas o de difícil acceso y las ventajas de desplazamiento que tiene sobre un robot omnidireccional de cuatro llantas o robots hexápodos en terrenos con relieve irregular, principalmente para desplazamientos curvilíneos. Se pretende implementar una cámara la cual grabará en tiempo real el lugar por el cual el prototipo se trasladará, esto con la finalidad de utilizarse en la exploración de zonas arqueológicas de difícil acceso para las personas.

La comunicación por bluetooth con el dispositivo es una parte del proyecto que aún merece mayor desarrollo, a fin de eliminar cualquier posibilidad de error en la transferencia de datos. Así mismo, de la experiencia adquirida se considera de interés utilizar una tecnología de comunicación con mayor alcance.

La funcionalidad del vehículo fue confiable en su traslado en diferentes tipos de terrenos, lo cual nos favorece, para que en un futuro se puedan desarrollar aplicaciones específicas, como por ejemplo entretenimiento, o arqueología robótica no destructiva.

Referencias [1] Cabrera Carrillo, J., Garcia Vacas, F., Giner Abad, P., Jaimez Tarifa, M., Ortiz Fernandez, A.,

Castillo Aguilar, J., Nadal Martinez, F. and Simon Mata, A. (n.d.). ROBOT ESFÉRICO. ES2351457.

[2] Ylikorpi, T. Suomela, J. (2007). Ball-Shaped Robots. Octubre 4, 2016, de Itech Education and publishing. Sitio web: http://cdn.intechopen.com/pdfs/478/InTech-Ball_shaped_robots.pdf.

[3] J. D. Hernández, J. Barrientos, J. del Cerro, A. Barrientos, D. Sanz. “Moisture measurement in crops using spherical robots". Industrial Robot: An International Journal, vol. 40, pp. 59–66, 2013.

[4] Wei-Hsi Chen, Ching-Pei Chen, Jia-Shiuan Tsai, Jackie Yang, Pei-Chun Lin, Design and implementation of a ball-driven omnidirectional spherical robot, Mechanism and Machine Theory, Volume 68, October 2013, Pages 35-48, ISSN 0094-114X,

[5] Maoxun Li, Shuxiang Guo, Hideyuki Hirata, Hidenori Ishihara, Design and performance evaluation of an amphibious spherical robot, Robotics and Autonomous Systems, Volume 64, February 2015, Pages 21-34

[6] Almeida, I, & Ochoa, J. (2013). “Diseño y construcción de un robot explorador de terreno “(Tesis de pregrado). Universidad politécnica salesiana sede Guayaquil, Ecuador.


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Diseño e Implementación de un Transmisor Digital Inalámbrico mediante Tecnología FPGA

Reyes Cruz Luis Ángel, Pedraza Ortega Jesús Carlos, Ramos Arreguín Juan Manuel,

Díaz Delgado Guillermo, Tovar Arriaga Saúl.

Facultad de Informática-Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro. Av. de las Ciencias S/N Campus Juriquilla, Juriquilla, Querétaro, Qro.

C.P. 76230 México. Tel. 1921200 EXT. 5900 [email protected]

Resumen En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un transmisor digital inalámbrico en una tarjeta de desarrollo con tecnología de lógica programable de tipo FPGA (Field Programmable Gate Array). El transmisor emplea un esquema de modulación por desplazamiento binario de fase (Binary Phase Shift Keying, BPSK), e incluye también un codificador de canal basado en el código corrector de Hamming H(7,4). La programación de los bloques funcionales del transmisor se realizó mediante el lenguaje de programación de hardware VHDL (Very High Speed circuit Description Language). El transmisor fue validado mediante pruebas de simulación en Simulink antes de ser implementado en el dispositivo semiconductor FPGA para las pruebas finales de funcionamiento. Palabras clave: transmisor digital inalámbrico, BPSK, VHDL, Hamming FPGA.

1. Introducción En la actualidad los avances tecnológicos han tenido un gran efecto en la sociedad al grado de que en nuestra vida cotidiana ya no podemos prescindir de servicios como las comunicaciones (telefonía, internet, televisión, radio, etc.). La evolución de las comunicaciones nos permite como usuarios tener una variedad de opciones de compañías que ofrecen los servicios, reduciendo los costos y teniendo un notable aumento en la calidad del servicio. Estos avances se deben en gran parte al desarrollo que la tecnología electrónica ha tenido y en especial la electrónica digital, de manera que se están migrando los servicios de tecnología analógica a tecnología digital, debido a las grandes ventajas que poseen las comunicaciones digitales como: un menor ancho de banda necesario, mayor calidad en el servicio, mejora en la utilización de la banda de frecuencias, facilidad de procesamiento, facilidad de multiplexado e inmunidad al ruido [1]. El objetivo básico de un sistema de comunicación es la transferencia de información de un punto geográfico a otro. En general, los sistemas de comunicación (SDC) se componen de tres subsistemas principales: el transmisor, el canal de comunicación y el receptor. Los sistemas tradicionales de comunicación que usan esquemas de modulación analógica, como la modulación de amplitud (AM), modulación de frecuencia (FM) y la modulación de fase (PM) se están sustituyendo rápidamente debido al gran avance de la electrónica digital y, por consiguiente, el desarrollo de sistemas de comunicaciones digitales, los cuales poseen ventajas sobre los sistemas analógicos que permiten la optimización del canal de transmisión. Así pues, los SDC facilitan el


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procesamiento de datos y señales, proporcionando una mayor capacidad de multiplexación de comunicaciones simultáneas, así como una mayor inmunidad al ruido y a la interferencia. Los sistemas digitales de comunicación se encuentran conformados por portadoras de frecuencias relativamente altas que se modulan mediante señales de información digital de relativamente bajas frecuencias [2]. La figura 1 muestra un diagrama general a bloques de un sistema digital de comunicación.

Fig. 1. Diagrama general de bloques de un sistema digital de comunicación [3].

Por otra parte, una de las herramientas más poderosas con las que se cuenta para el diseño de sistemas digitales son los Lenguajes Descriptivos de Hardware (LDH) que permiten realizar una estructura jerárquica de las etapas del diseño logrando una optimización en el trabajo. VHDL (Very High-speed Integrated Circuit Hardware Description Language) es el lenguaje descriptivo más usado en la actualidad. Su popularidad se debe principalmente a que es un estándar del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers). El modelado de circuitos en VHDL se basa principalmente en la definición de arquitecturas que representan cada una de las estructuras digitales que pueden aplicarse al diseño del circuito. A partir de cada una de estas estructuras, se pueden declarar entidades con sus correspondientes elementos para llevar acabo la simulación del circuito y la implementación en dispositivos lógicos programables [4]. Los lenguajes descriptivos de hardware sirven como una herramienta para obtener soluciones a problemas de diseño de manera rápida y eficiente. Se han desarrollado componentes de hardware que permiten la programación mediante estos lenguajes descriptivos. Estos componentes van desde pequeños dispositivos, con unas cuantas compuertas lógicas, hasta dispositivos más complejos, con una capacidad de integración de miles de compuertas agrupadas en bloques de funcionales [5]. Algunos trabajos sobre sistemas de comunicaciones implementados en Dispositivos Lógicos Programables (PLD’s Programmable Logic Device) han probado la eficiencia en su implementación gracias a la arquitectura de los PLD’s que permiten: facilidad y rapidez de diseño, flexibilidad y portabilidad; capaz de funcionar de manera correcta en distintas áreas de aplicación como: aplicaciones RFID como un transmisor [6]; en redes inalámbricas mediante la creación de un sistemas en FPGA’s usando esquemas como OFDM y modulación BPSK para la implementación del estándar IEEE 802.11 [7]; en sistemas de comunicaciones de alta velocidad implementándose en arquitecturas de FPGA especiales para telecomunicaciones [8]; en biomedicina como el diseño de un modulador para telemetría biomédica programada en VHDL, los cuales tienen varias aplicaciones en la ésta área como los dispositivos transcutáneos que contienen sensores con tecnología similar a la de los sistemas RFID[9].


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2. Metodología

El modelado de circuitos digitales en VHDL consta básicamente de cinco pasos fundamentales para su desarrollo, como se puede observar en el diagrama de la Figura 2.

Fig. 2. Metodología para el modelado de circuitos digitales.

La fase inicial del modelado consiste en el análisis del diseño a partir de los requerimientos, características del sistema y del circuito a implementar. La elaboración del modelo se realiza una vez que se han detectado y corregido los errores en el diseño, entonces se continúa con la especificación del diseño en VHDL. Al término de la fase de elaboración se procede a ejecutar pruebas de simulación del modelo mediante la configuración de las señales de entrada y los tiempos de la simulación, en ésta parte es recomendable la creación de bancos de pruebas para una evaluación óptima de la simulación. La síntesis del sistema se realiza mediante una herramienta de síntesis, con la cual es posible convertir el diseño a una abstracción de bajo nivel. Una vez que se realiza la síntesis de manera correcta, es factible la implementación del sistema en una tarjeta de desarrollo para realizar las pruebas pertinentes [10].

2.1 Análisis de diseño El diagrama de bloques que conforma nuestro transmisor digital inalámbrico se desarrolla a partir de la Figura 1, tomando solamente la parte del transmisor y declarando cada uno de los bloques a implementar. En la Figura 3 se muestran cada uno de los bloques que conforman el transmisor digital inalámbrico propuesto.


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Fig. 3. Diagrama a bloques del transmisor digital de datos.

La fuente de información, puede ser cualquier señal binaria aleatoria; generada arbitrariamente o mediante un banco de pruebas. El codificador de Hamming implementado es un código (7,4), de manera que, si queremos transmitir la palabra “1100”, el desarrollo del código de Hamming será el que se muestra en la Tabla 1. Los dígitos de comprobación se encuentran ubicados en las posiciones binarias donde solo hay un ‘1’, que corresponden a las posiciones 1, 2 y 4 en binario. Las otras posiciones se llenan con los dígitos del mensaje. Para el cálculo de los dígitos de comprobación, se utiliza la relación de la Tabla 1 para la obtención de las ecuaciones. Los dígitos de mensaje que se encuentran en cada ecuación de comprobación corresponden a las posiciones binarias que contienen un ‘1’ en la misma posición que la del digito de comprobación a calcular [11].

Tabla 1. Desarrollo del código de Hamming (7,4).

Así las ecuaciones para los bits de comprobación quedan de la siguiente manera:

(1)

(2)

(3)

Obteniendo la palabra codificada “0111100”, donde el bit menos significativo o el primer bit a transmitir corresponde al bit de la izquierda. Posteriormente esta palabra codificada será el conjunto de bits que entren al modulador. Para el modulador BPSK, se tomaron en cuenta las ecuaciones especificadas anteriormente, se consideró una señal portadora senoidal con una frecuencia en el orden de los KHz, esto debido a los ciclos de reloj utilizados para generar la señal e implementar la comunicación con el DAC. La estructura del modulador se describe en la Figura 4.

Palabra 1 1 0 0

Posición binaria 001 010 011 100 101 110 111

Tipo de dígito

0 1 1 0

1 1 0 0

1 1 0 0

Palabra codificada 0 1 1 1 1 0 0


118

Fig. 4. Diagrama del Modulador BPSK.

2.2 Elaboración. El sistema se diseñó con un enfoque “top-down” para la generación de los bloques funcionales en VHDL; se utilizó el editor de textos de Active-HDL para este proceso. La entidad general del transmisor digital de datos a implementar en Hardware se muestra en la Figura 5. Las señales de entrada son: el reloj maestro del sistema (CLK), la señal de RST para resetear las señales que dependen del reloj maestro. Y la señal INF la cual contiene el grupo de los bits a transmitir sin codificar. Las señales de salida son: las cuatro señales para el DAC y la señal modulante para su visualización física. La primera parte del desarrollo, consistió en el diseño de la portadora y la portadora desfasa, para lo que se utilizó el código de Matlab de Rene Troncoso [1] para la generación de una Look Up Table de 12 bits correspondiente a una función senoidal y que se binariza en 4096 valores. De esta manera se puede implementar una aproximación de la función seno en una FPGA. La entidad de LUT de la Portadora consiste en una señal de entrada de 12 bits que se mapea a la salida con su correspondiente valor de la función senoidal. La entidad de la LUT para la portadora desfasada es similar, solo que la función mapeada corresponde a la función senoidal desfasada 180°. EL bloque del Acumulador de fase realiza una suma sistemática de fase, acumulándola de manera que sirva para desplazarse en los valores de las LUT’s de una forma cíclica. La entidad del Acumulador de fase se muestra en la Figura 6. Las señales de entrada son: el reloj maestro del sistema (CLK), la señal de RST para resetear las señales que dependen del reloj maestro. Y la señal P de 12 bits la cual establece el valor de suma para el acumulador. Las señal de salida e es la suma acumulada de 12 bits proveniente del registro. El Acumulador de fase consiste en un sumador de 12 bits, una unidad de registro de 12 bits para almacenar la suma acumulada y una unidad de registro de 1 bit para almacenar el acarreo de la sumatoria.


119

Fig. 5. Entidad general del transmisor digital de datos.

En el sumador de 12 bits, las señales de entrada son: El valor establecido para la sumatoria R1, el valor de la sumatoria acumulada R2 y el acarreo de entrada correspondiente a la salida del registro de acarreo. Mientras que el resultado de la sumatoria se pasa a la salida del sumador. La unidad de registro de 12 bits almacena la sumatoria acumulada y se actualiza en cada ciclo de reloj con respecto a la salida del sumador. Por lo que sus señales de entrada correspondientes son: el reloj maestro, el reset y el resultado del sumador. A la salida se encuentra la señal de la sumatoria acumulada. En el bloque de acarreo, se almacena el décimo tercer bit de la sumatoria y pasa como entrada en el sumador. El valor de almacenamiento se actualiza en cada ciclo de reloj igual que la unidad de registro de 12 bits. En el bloque del Modulador consiste en un divisor de frecuencia, el codificador de Hamming y un buffer para separar los datos codificados y mostrarlos en la salida. La entidad del Modular se muestra en la Figura 7. Las señales de entrada son las mismas que las de la entidad general BPSK, y la señal de salida es la señal binaria codificada.

Fig. 6. Entidad del Acumulador de fase.


120

El divisor de frecuencia se establece de acuerdo a la velocidad de bits requerida para la transmisión mediante la siguiente formula, donde M es el valor que debe ser programado para la disminución de la frecuencia de reloj:

reloj de Periodo

deseado Periodo =M (4)

De esta manera la salida del divisor de frecuencia sirve para que el buffer entregue a su salida un bit a la vez proveniente del codificador. El codificador recibe en su entrada el grupo de 4 bits que codifica de acuerdo con las ecuaciones para los bits de comprobación establecidas anteriormente.

Fig. 7. Entidad del Modulador.

Las salidas de las LUT’s entran a un multiplexor 2 a 1 y la señal selectora proviene de la salida del bloque del modulador, de esta manera, si la señal selectora es un ‘0’ lógico, la salida del multiplexor entrega la seña de la portadora, y si la señal selectora es un ‘1’ lógico, la salida del multiplexor contendrá la señal desfasada de la portadora. La salida del multiplexor está formada por 12 bits, los cuales entran al bloque del DAC. El bloque del DAC contiene una máquina de estados finita para la implementación del protocolo de 24 bits del DAC LTC2624 [12]. El esquema de la máquina de datos implementada se muestra en la Figura 8. En este esquema se puede observar las señales que interactuaran con la máquina de estados (SCK, CS, MOSI, RDY e Index), la señal SCK funciona como el reloj para la sincronización con el DAC, la señal CS funciona como reset para la comunicación del DAC, la señal MOSI toma el valor de cada uno de los datos del protocolo de 24 bits. La señal RDY funciona para indicar que los 24 bits fueron transmitidos y la señal de index funciona para el desplazamiento de los 24 bits del protocolo. En total son 25 ciclos los que se requieren para completar el protocolo.


121

Fig. 8. Esquema de la Máquina de Estados Finita para el DAC.

2.3 Simulación.

Teniendo el desarrollo en VHDL de las entidades descritas anteriormente, se realizó una simulación en Active-HDL mediante el Visor de Formas de Onda, para la validación del transmisor digital. La simulación en XSG nos ayuda a tener otro método para la validación del código VHDL generado, este método genera un entorno más similar a lo que sería la implementación en hardware ya que se simula también la capacidad de la tarjeta de desarrollo utilizada, por lo que si un diseño sobrepasa la capacidad de la tarjeta, la simulación no funcionará [13].

2.4 Síntesis.

Para la síntesis del código VHDL se usa Xilinx ISE, por lo que se exportó el código generado en Active-HDL y se importó en Xilinx ISE. Un paso previo a la síntesis es la asignación de los pines de la FPGA con su correspondiente señal del transmisor, usando la herramienta PlanAhead y la tabla 2 que indica la señal y el pin utilizado de la FPGA. Una vez que se tiene la asignación de los pines, se realiza la síntesis para la abstracción a bajo nivel del código VHDL, esto da como resultado la generación del archivo de programación (.bit) que se utiliza para la implementación en el hardware. El archivo (.bit) es creado con el mismo nombre del archivo VHDL de más alto nivel y en el mismo directorio en el que se encuentra el proyecto creado en Xilinx ISE.


122

Tabla 2. Tabla para la asignación de pines en la FPGA.

2.5 Implementación.

Para la programación del (.bit) en la tarjeta de desarrollo, se utilizó la herramienta de iMPACT. Ya que se tiene conectada correctamente la tarjeta mediante el puerto USB de programación, iMPACT escanea la tarjeta y genera la cadena de elementos programables, posteriormente se selecciona el archivo de programación para cargarlo a la tarjeta de desarrollo. La tarjeta de desarrollo empleada es la Spartan-3E Starter Kit de Xilinx [14]. La conexión de la tarjeta de desarrollo y el osciloscopio digital se llevó a cabo utilizando dos puntas para osciloscopio. La primera punta conectada a la salida del canal A del DAC, usando la tierra que contiene el conector de 6 pines del DAC. Esta punta contendrá la señal modulada. La segunda punta servirá para visualizar la señal de información, por lo que se conecta en el pin D7 de la tarjeta como se especificó en la Tabla 2. La tierra para esta punta puede ser la misma que para la primera punta. La Figura 9 muestra la conexión física de la tarjeta de desarrollo y el osciloscopio, donde se puede observar las dos puntas del osciloscopio y el cable de alimentación de la tarjeta.

Señal Tipo de señal (entrada

o salida)

Numero de Pin

en la FPGA

AD_CONV Salida P11

AMP_CS Salida N7

FPGA_INIT_B Salida T3

SF_CE0 Salida D13

SPI_SS_B Salida U3

CLK Entrada C9

RST Entrada L3

Modu Salida D7

Enc Salida F12

DAC_CLR Salida P8

DAC_CS Salida N8

DAC_MOSI Salida T4

DAC_SCK Salida U16


123

Fig. 9. Conexión de la tarjeta de desarrollo y el osciloscopio digital.

3. Análisis de resultados Los resultados de la simulación en Active-HDL se muestran en la Figura 10. Se observa la señal generada por LUT de la portadora y de la portadora desfasada. La señal modulada realiza los cambios de fase de acuerdo a la señal de información o modulante. La frecuencia de la portadora está limitada ya que con un reloj maestro de 50MHz, el DAC puede trabajar hasta 25MHz. Ya que el protocolo para la comunicación consta de 25 estados, tenemos que la frecuencia de actualización del DAC es de 1MHz. Por lo que cada cambio en la salida del DAC se da a 1ns. Si definimos una portadora senoidal en 16 valores discretos junto con la frecuencia de actualización del DAC, obtenemos una frecuencia de 62.5KHz

Fig. 10. Simulación en Active-HDL.


124

En cuanto a la implementación en la tarjeta de desarrollo del transmisor digital incluyendo la codificación y la modulación, la Figura 11 muestra el despliegue de la señal de información (en azul) y la señal modulada (en amarillo) en el osciloscopio.

Fig. 11. Señal de información y señal modulada visualizadas en el osciloscopio.

Los recursos utilizados de la tarjeta de desarrollo para la implementación del transmisor digital se muestran en la Tabla 3. Se puede apreciar que el uso de los recursos de la tarjeta son menores al 70%, por lo que se es capaz de agregar módulos adicionales.

Tabla 3. Utilización de recursos de la tarjeta de desarrollo.

Recursos Usados Porcentaje

Utilizado

Flip-Flops 54 1%

LUT de 4 entradas 2494 26%

Segmentos Ocupados 1479 31%

Buffer de Entrada/Salida 13 5%

Buffers de Reloj 2 8%


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4. Conclusiones En éste trabajo se presentó el desarrollo e implementación de un transmisor digital de datos utilizando un esquema de codificación para el control de errores mediante códigos de Hamming y un esquema de modulación BPSK. Se llevó a cabo un análisis de los sistemas de comunicaciones digitales, de los lenguajes descriptivos de hardware y de la tecnología FPGA para la definición de la metodología que abarcara el diseño completo del transmisor. La validación del diseño del transmisor se hizo por medio de simulaciones que comprobaran el funcionamiento antes de llevarlo a la etapa de implementación para optimizar los tiempos de desarrollo. La implementación se realizó en una tarjeta de desarrollo Spartan-3E Starter Kit que contiene un DAC para la salida de la señal modulada. Por medio de este trabajo se pudo comprobar que el desarrollo de sistemas de comunicaciones mediante tecnología FPGA es factible y que se pueden explotar los beneficios que ofrece, en especial la flexibilidad de diseño y el tiempo de desarrollo, gracias al concepto modular con el que se realiza la programación. En cuanto al funcionamiento del sistema en la tarjeta de desarrollo, los resultados son los esperados y la respuesta de la tarjeta comprueba que el paralelismo puro de las FPGA’s da una ventaja en el desarrollo de sistemas digitales complejos.

Referencias [1] Romero J.,” Electrónica digital y lógica programable”. Universidad de Guanajuato, México. 1a

edición, 2007. [2] Wayne T., “Sistemas de comunicaciones electrónicas”. Pearson Educación, México. 4a edición,

2003. [3] Couch II L., “Sistemas de comunicación digitales y analógicos”. Prentice Hall, México. 7a edición,

2002. [4] García M. & Pérez J., “Dispositivos lógicos programables (PLDs): diseño práctico de

aplicaciones”. RA-MA. México. 2006. [5] Aceves M. & Ramos J., “Fundamentos de Sistemas Embebidos”, Asociación Mexicana de

Mecatrónica A.C. México. 1a edición, 2012. [6] Van de Beek, R., Ciacci, M., Al-Kadi, G., Kompan, P., & Stark, M. “A 13.56 Mbps PSK receiver for

13.56 MHz RFID applications”. In Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC). IEEE (pp. 239-242). 2012.

[7] Garcia, J., & Cumplido, R. “On the design of an FPGA-Based OFDM modulator for IEEE 802.16-2004”. In Reconfigurable Computing and FPGAs, International Conference on (pp. 4-pp). IEEE. 2005.

[8] Tsutsui, A., Miyazaki, T., Yamada, K., & Ohta, N. “Special purpose FPGA for high-speed digital telecommunication systems”. In Computer Design: VLSI in Computers and Processors, Proceedings. IEEE International Conference on (pp. 486-491). 1995.

[9] Elamary, G., Chester, G., & Neasham, J. “An analysis of wireless inductive coupling for High Data Rate biomedical telemetry using a new VHDL n-PSK modulator”. In Electronics, Circuits, and Systems. 16th IEEE International Conference on (pp. 211-214). 2009.

[10] Sánchez I., García M. Saldívar P., Montiel P., Sepúlveda R., & Charles R., “Modelado de circuitos lógicos digitales en Active HDL 5.1.”, VHDL–Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica 2006. (pp. 169-174). ENINVIE. 2006.

[11] Bruce C., Crilly P. & Rutledge J., “Sistemas de comunicación”. McGraw-Hill, México. 4a edición, 2002.

[12] Xilinx, Inc., “Spartan-3E FPGA Starter Kit Board User Guide”. 2011. [13] Linear, Technology. 2004. LTC2604/LTC2614/LTC2624 datasheet. [14] Digilent Inc. 2014.

http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,400,897&Prod=NEXYS3&CFID=5644420&CFTOKEN=24ce718231f10800-1F4F5181-5056-0201-020930A9E23F6C12.

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