Seguidor de linea Gabott

CIRCUITO PARA ROBOT DE CARRERAS GABOTT-1

Autor: Ing.  Juan Carlos Téllez Barrera

e-mail: tellezgcarlos@gmail.com

La construcción de un circuito especifico para un robot de carreras  a veces se torna un tanto compleja por la disposición de materiales y de elementos de circuito, muchas veces recurrimos a los controles por PWM y otros tantos basados en microcontrolador, el circuito expuesto a continuación es sencillo, muy versátil y sobre todo cumple las funciones para las cuales fue diseñado de una forma muy eficiente, claro esta eligiendo los elementos mecánicos de manera adecuada y realizando adaptaciones en forma empírica.

Las prestaciones agregadas son:

-Uno de los motores maneja inversión de giro para la dirección, el otro es de funcionamiento constante.

-Elección de umbral para detección de líneas.

-Elección de seguimiento de líneas blancas o negras.

-Elemento de memoria que le permite en caso de que pierda la línea “recordar “ hacia donde debe virar para tratar de encontrarla.

-Con cambios adecuados en las conexiones puede implementarse un siguelíneas simple y adicionarle un modulo de PMW para controlar la velocidad para el caso de la configuración de carreras, estas ultimas no figuran en este instructivo.

ETAPA DE POTENCIA

Para ello recurrimos al CI L293D cuyo uso se ha extendido debido a su bajo costo, en un único encapsulado doble en línea tiene dos circuitos puente “H” completos con la capacidad de poder manejar cargas de hasta 1/2 ampere por cada puente, entrada de habilitación (enable) de cada puente “H” que es útil para manejar PMW , diodos de protección integrados además de que acepta a su entrada niveles lógicos de hasta 7 volts máximos de amplitud, dependiendo de la configuración es capaz de manejar dos motores independientes con su respectivo control de inversión de sentido o hasta cuatro motores en un solo sentido de giro. En nuestro caso solo emplearemos un puente H para manejar el motor de dirección que es el motor 1 (M1). El otro puente lo dejaremos para un motor de marcha constante de forma permanente, o si es el caso usarlo para control de velocidad por PMW.

El circuito es sencillo y pequeño y la tabla de verdad de funcionamiento para el caso de la inversión de giro es la siguiente.

TABLA LOGICA

ENTRADAS			SALIDAS
ENABLE	INPUT1 A	INPUT2 B	OUTPUT1 Y OUTPUT2
H	H	H	AMBAS SALIDAS EN ALTO (MOTOR FRENADO)
H	L	L	AMBAS SALIDAS EN BAJO (MOTOR FRENADO)
H	H	L	LA CORRIENTE  VA DE OUT1 A OUT2
H	L	H	LA CORRIENTE VA DE OUT2 A OUT1
L	X	X	ALTA IMPEDANCIA ( MOTOR LIBRE)

X = No importa

H = Nivel lógico  Alto

L = Nivel lógico Bajo

Es necesario aplicar el nivel lógico “1” a la entrada enable1 para que el motor funcione, de aplicar un nivel lógico “0” el motor dejara de funcionar y girara únicamente por inercia hasta que se detenga, en caso de aplicar un estado lógico igual en ambas entradas sin importar si es “1” o ”0” el motor no será afectado por la inercia y se frenara, lo anterior es útil para cuando se utiliza alguna etapa que requiera mayor precisión como el caso de un microcontrolador.

Para el motor 2  (M2) el funcionamiento será permanente por lo cual A y B ya están conectadas a GND y VCC respectivamente.

El CI L293D y el esquema de conexión a usar.

ETAPA DE SENSORES

Su función principal es seguir una línea dibujada en una mesa o el piso y que sea de algún color contrastante con el área circundante la cual puede ser una línea negra sobre fondo blanco o línea blanca sobre fondo negro y puede presentar curvas o trayectos rectos que el minirobot o móvil deberá seguir sin salir de la misma.  La sencillez del mismo radica en que necesitamos solo dos sensores para poder discernir hacia donde es la orientación de avance con respecto de la línea y así el móvil retorne a la ruta en caso de que se desvié.

De acuerdo a la figura 1 y a grandes rasgos situamos ambos sensores lado a lado y que al mismo tiempo se encuentren dentro de la línea,  de tal manera que al situarse los dos sensores sobre la línea el motor1 que controla la dirección no gire y permanezca frenado, en caso de que se desvié y salga alguno de los sensores de la línea y este sobre el área fuera de esta mandara una señal de control al  motor1 el cual se accionara y llevara a la dirección a moverse para orientar a los sensores para que de nuevo estén sobre la línea, como el motor2 de tracción avanza el móvil retornara  al seguimiento de la línea, en el momento que el sensor que salio este nuevamente sobre la línea al igual que el otro se dejara de enviar la señal de control y el motor1 volverá a inactivarse hasta que nuevamente alguno de los  dos sensores vuelva a salir de la línea.

Fig. 1.  Minirobot y ubicación de los sensores.

Funcionamiento

El funcionamiento del circuito es el siguiente,  los “ojos “ de el móvil será el sensor CNY70, en el mismo encapsulado se encuentra un emisor y un detector infrarrojo, el emisor infrarrojo se polariza a través de R1 y en el receptor el fototransistor se conecta vía R2 a tierra, cuando el receptor capte reflexión circulara a través de el una corriente proporcional al nivel de radiación incidente, ese flujo de corriente provocara en el resistor una caída de voltaje  donde el nivel de este dependerá si la reflexión la provoca una superficie clara u oscura.

Fig. 2. CNY70 y el comparador.

Lógicamente la mayor reflexión será presente cuando el sensor cruce por alguna área clara y en donde se presente la línea oscura será menor, de esta manera podremos diferenciar cuando este sobre la línea y cuando se desvíe de su camino a seguir. Posteriormente el voltaje presente en el resistor se aplica a la  entrada inversora de un OPAMP en modo de comparador de voltaje, el nivel de voltaje con el cual se va a comparar lo tomaremos de un divisor resistivo formado por R3 y P1, así nosotros podremos definir el umbral en el cual nuestro móvil diferenciara entre la línea  y la superficie de la pista. A la salida del OPAMP tendremos presente ya sea el voltaje de saturación positiva que será cercano al valor de la fuente o el voltaje de saturación negativo el cual es prácticamente cero. Este mismo circuito se duplicara para el segundo sensor y tendrá el mismo funcionamiento, para facilitar el ajuste de umbral de detección  usaremos el mismo divisor de voltaje para el segundo circuito, así el mismo valor de voltaje de comparación será aplicado a ambos, lo que si es muy importante es que los dos sensores tengan la misma separación sobre la pista y así el circuito funcione adecuadamente.

Fig. 3. Impreso de la tarjeta de sensores y  la disposición del lado de los componentes, se indica de que manera se montan los CNY70 y la orientación de la matricula.

Como puede observarse el modulo con los CNY70 usa solo dos sensores, los componentes se colocan habitualmente del lado opuesto de las pistas ya que el CNY70 tiene la suficiente altura para librar a los resistores y poder colocarlo bajo el móvil, sus terminales coinciden con las de la placa del Circuito del robot de carreras por lo cual se recomienda soldar cables a la placa de los sensores que en un extremo tengan un conector de cuatro terminales y así conectarlo a la placa  principal, del total de 4 operacionales solo se usaran 2 del LM324 en modo comparador .

Ahora sigue lo que llamamos el modulo de memoria, este estará entre la salida de los comparadores y el L293, esta formado por un integrado CMOS CD4093 que son 4 NAND , estas se usaran para formar un FLIP FLOP que será el modulo de memoria y así recordara cual de los dos sensores salio primero de la línea, las otras 2 NAND se usaran para invertir la salida del comparador y por medio de jumpers elegir entre seguimiento de líneas negras o líneas blancas. Esto lo podemos apreciar en el diagrama esquemático de circuito siguiente.

Fig. 4. Diagrama de circuito completo.

Para finalizar  solo resta probar el circuito completo alimentando con 4 pilas “AA” de 1.5 volts,, la alimentación nominal es de 6volts, es posible alimentarlo con un máximo de 9 volts pero trabajaríamos en los limites del L293D y si los motores consumen demasiada corriente corremos el riesgo de dañarlo.

Para su puesta en funcionamiento y ajustes se dan las siguientes recomendaciones:

-Se sugiere colocar un interruptor entre la bateríaa y el modulo principal de potencia, esto para los lapsos de tiempo en el que el minirobot no se use y prolongar la vida de las baterias.

-Se recomienda usar cinta de aislar plástica  sobre una superficie limpia y plana ya que es fácil de manipular para crear curvas y acrecentar el nivel de dificultad.

-El circuito con los sensores se coloca en la parte inferior y que los mismos se sitúen a una altura no mayor a 5 milímetros de la superficie de la pista.

-El ajuste de el umbral de comparación deberá hacerse empíricamente, coloque el móvil sobre la superficie  donde será la pista en un área con línea, seleccione según sea el caso si seguirá línea blanca o línea negra, el motor de dirección tendera a girar hacia un solo lado, si es así disminuya el valor del preset y vuelva a situar los sensores en la línea, debe llegar un momento en que el robot comience a mover la dirección de un lado a otro intentando situarse sobre esta, siga disminuyendo hasta que el “cabeceo” sea mínimo o cese, si llega hasta el tope y no se detiene es que los sensores puede que este situados justamente sobre el ancho de la línea por lo que aumente el valor del preset un poco y dejelo correr para observar el funcionamiento y ajuste empíricamente hasta que obtenga la mejor definición en el seguimiento de la línea.

 En caso de que el móvil “cabecee” y salga de la línea probar seguir ajustando la sensibilidad con P1. Si la reducción no fue la adecuada y avanza demasiado rápido podemos optar por alimentar el motor de tracción de forma independiente de las pilas con menor voltaje aunque una manera correcta es adicionar un control PMW en la entrada Enable de la etapa de potencia que corresponde al motor2, para lo anterior el circuito impreso ya viene preparado para tal caso con los jumpers que se situan a los lados de las terminales de alimentación. Este circuito adicional no se incluye en el kit.

Fig. 5. Impreso y disposición de componentes

Es importante que al realizar la construcción del móvil seguir las indicaciones marcadas, recomiendo usar el motor de tracción con reducción mayor para lograr un funcionamiento correcto, gradualmente y de acuerdo a la experiencia podemos probar con mecanismos de dirección mas rápidos y pequeños y acelerar la tracción de manera mecánica. Un robot de carreras es quizá la parte mas difícil de los minirobots porque nos basamos mucho en cuestiones empíricas, pero esto le da la mayor fuente de aprendizaje y nos hace los cuestionamiento en cuanto a nuestras necesidades de conocimiento , cualquier duda estoy a sus ordenes.

MATERIAL

1 Tarjeta para sensores

1 Tarjeta GABOTT1

IC - CNY70, 2  sensores.

IC2 - LM324

IC1 – CD4093

IC3 – L293D

R1 – 10kΩ , 3 de cada uno

R2 - 220Ω, 2 de cada uno

R3,– 10KΩ

P1 - 10KΩ

C1 – 0.1 uf.

Header vertical 3x1, 3

3 Jumpers para header.

Varios no incluidos:

Interruptor pequeño, Conectores varios, cables delgados, portapilas, base de robot, etc.

Nota final: el circuito se montara en la base de robot previamente construida, la configuración es a tres ruedas o tipo TRiCICLO, la tracción se encuentra en el mismo eje de la rueda de dirección, razón por la cual deberán remitirse a un seminario previo de robots de carreras o tomar como referencia los trabajos del autor.