Robot paper

NEO: UN ROBOT SEGUIDOR DE LÍNEA
LA PRIMERA EXPERIENCIA EN ROBÓTICA

C.D. RIGANO†, J.P. BOTTANI, R. MORO ZUBILLAGA, A. ROMANO,

M.L. SILVA Y O.A.A. ORQUEDA

Departamento de Ingeniería Eléctrica
Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Bahía Blanca (UTN-FRBB)
11 de Abril 461 – (8000) Bahía Blanca – Argentina
† E-mail:competenciarobotica@frbb.utn.edu.ar

Resumen– En este trabajo se expone el desarrollo de color negro. Se debe destacar, que todo el desarrollo
de un Robot Seguidor de Línea construido por se ha realizado utilizando materiales de descarte. El
alumnos de Ingeniería Eléctrica de la UTN-FRBB y robot se observa en la figura 1.
con materiales en desuso. Su construcción se basa en Este proyecto nace de la necesidad de alumnos en
electrónica discreta, utilizando un PIC como proce- comenzar a desarrollar tareas de investigación en el
sador central, con programación de control, sensores ámbito de la Facultad y, a la vez, de la necesidad de
ópticos y motores paso a paso. desarrollar tecnología y programas utilizando microcon-
Los objetivos fundamentales perseguidos con el troladores para ser aplicados en las cátedra Controlado-
desarrollo de este robot son: (a) ser el punto de par- res y Redes Industriales de Ingeniería Eléctrica de la
tida para iniciar en la investigación la temática de recientemente creada orientación de Electrónica Indus-
robótica a los alumnos interesados; (b) permitir ge- trial, Instrumentación y Control de la UTN-FRBB. Por
nerar experiencia para automatizar una silla de rue- otra parte, como se presenta en el trabajo “C. Rigano et
das motorizada desarrollada en el ámbito del Depar- al. (2002)”, la experiencia obtenida en el desarrollo de
tamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad estos robots será aplicada al sistema de control de una
Tecnológica Nacional-FRBB, que se presenta en el silla de ruedas motorizada para personas cuadripléjicas.
trabajo “C. Rigano et al. (2002)”. El trabajo está organizado de la siguiente manera:
Palabras claves – Vehículos Guiados Automáti- En la sección II, se presenta la arquitectura desarrollada
camente, Robótica Móbil, Estrategias de Navegación, de hardware del robot. En la sección III, se describen los
Seguidor de línea. sensores instalados en el robot. En la sección IV, se
desarrolla la estructura de software y la configuración
I. INTRODUCCIÓN del microcontrolador. En la sección V se resume los
La robótica móvil es una temática de investigación y resultados experimentales obtenidos. Las conclusiones,
desarrollo de gran interés nacional e internacional, tanto los proyectos futuros y la bibliografía cierran este traba-
por la diversidad de aplicaciones, como por la gran can- jo.
tidad de áreas de conocimiento que abarca, desde las II. CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS
ingenierías, eléctrica, mecánica o electrónica, hasta
computación y biología. Este interés se ha visto plasma- El Robot, esquematizado en la figura 2, tiene dos ruedas
do en diversas aplicaciones como remoción de minas, principales con aros de goma que sirven para parcializar
asistencia a disminuidos motrices o ancianos, trabajo en el deslizamiento. La tracción es delantera buscando un
ambientes industriales peligrosos o equipos de fútbol. mejor direccionamiento. Cada rueda se acopla a un mo-
Este trabajo presenta el desarrollo de un Robot cons- tor paso a paso de 48 pasos y 12 voltios que permite una
truido sobre la base de un PIC 16F84A (Microchip Inc), velocidad de máxima de 10 cm/seg. En la parte trasera
sensores ópticos, motores paso a paso para el que se ha del robot se encuentra una rueda libre con el fin de dar
desarrollado un programa de control que se describirá estabilidad mecánica. El diámetro de las ruedas de trac-
en este trabajo. La función principal del robot es el se- ción, construidas de grillón, es de 5,3 cm.
guimiento de una línea de color blanco sobre un fondo
Grupo de Robótica y Simulación
11 de Abril 461 (C.P. 8000) Bahía Blanca Tel.: (0291) 4555220 Int. 124
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El robot realiza solamente tres movimientos: el
avance frontal, y el giro hacia derecha e izquierda, al
accionar solamente la rueda opuesta al sentido de giro
deseado. Estos movimientos se encuentran resumidos en
la figura 3.

Figura 1 – Robot.
La rueda libre está construida mediante el reciclado
de una pieza de un grabador, mientras que el armazón
que sostiene los componentes es una placa de aluminio
obtenida de una impresora.
Se han reciclado baterías de celulares de 1200mAh Figura 3 – Movimientos del Robot.
que le otorgan al robot una autonomía de alrededor de
cinco minutos. III. SENSORES
El peso y las dimensiones físicas del robot son las
siguientes. En este proyecto se han implementado dos clases de
sensores para vincularse con el medio exterior:
Altura máxima = 8 cm
sensores mecánicos o de contacto
Longitud = 16,5 cm
sensores infrarrojos
Ancho = 10 cm
Peso(sin baterías)= 800 grf A. Sensores Mecánicos o de Contacto
Los sensores de contacto complementan al seguimiento
de la línea y su función radica en la detección de obstá-
culos sobre el camino marcado. Estos sensores son dos
contactos que normalmente se encuentran cerrados, ca-
da uno con un alambre helicoidal de 12 cm de largo, que
otorga mayor distancia de detección una colisión elásti-
ca. En la figura 4 se muestra el diagrama eléctrico de los
mismos.

Figura 2 – Esquema físico del Robot. Figura 4 – Diagrama eléctrico de los sensores de con-
tacto.

Cuando el Robot avanza y no encuentra ningún obs-
táculo; al microcontrolador le llega un nivel lógico igual
a cero. Si en algún instante hay una obstrucción en el
camino, los contactos se abren haciendo que al micro-
controlador llegue un nivel lógico igual a uno. De esta
forma, se indica la presencia de un problema y el robot
detiene su marcha hasta que no se libere el camino.
B. Sensores Infrarrojos
Los sensores infrarrojos son los encargados del segui-
miento de la línea. Se ha preferido la utilización de dos
conjuntos fotodiodo-fototransistor. Esta decisión se ha
basado en que permite modificar dirección de la trayec-
toria en forma dinámica y con una construcción simple.
Se ha dispuesto un conjunto de estos elementos en el
frente del robot, uno a la derecha y otro a la izquierda,
para determinar cuando abandona la línea blanca. Los Figura 5 – Circuito eléctrico de los sensores ópticos.
fotodiodos y los fototransistores son de un mouse de
IV. MICROCONTROLADOR
computadora.
Con el objeto de evitar la influencia de la luz am-
biental que provocaría errores en la lectura de los senso-
res, todos los componentes se colocan en una caja situa-
da en el frente del Robot a pocos milímetros de la super-
ficie. El circuito se muestra en la figura 5.
El principio de funcionamiento se basa en la emisión
infrarroja de los fotodiodos. Cuando la superficie es de
color blanco, la emisión es reflejada casi en su totalidad,
con lo que se excita el fototransistor hasta llevarlo a la
condición de saturación.
El emisor del fototransistor queda entonces con una
tensión cercana a la de alimentación. Esta tensión es
aplicada en la pata no inversora del operacional LM358
que funciona como comparador de tensión. Debido a
que la tensión en la pata no inversora es mayor que la
tensión de referencia, se obtiene un valor lógico igual a
uno en la salida del operacional. Figura 6 – Esquema de entradas y salidas utilizadas.
Si ahora la superficie es de color negro, la reflexión
será casi nula quedando entonces el fototransistor al
A. Entradas y salidas del microcontrolador
corte. Por ende en la salida del operacional se tendrá un
cero como valor lógico. De las trece entradas-salidas que se pueden configurar
Se puede regular la emisión infrarroja modificando del PIC 16F84A de la empresa MICROCHIP, se han
la posición del potenciómetro correspondiente. usado solamente once. Ocho de ellas son destinadas a
salidas, y tres a entradas. Esta configuración se observa
en la figura 6.
Los primeros cuatros bits del Puerto A son utilizados
como salidas para accionar el motor izquierdo. Lo mis-
mo sucede con los cuatros bits del Puerto B que activan
el motor derecho.
El quinto bit del Puerto B está configurado como en-
trada y recibe la información de los sensores de contac-
to.
El sexto y séptimo bit del Puerto B son asignados
como entradas. El primero sensa el límite izquierdo de
la línea blanca y el otro el lado derecho.


B. Programación del microcontrolador
En la figura 7 se describe el diagrama de flujo del pro- Números de pasos Secuencia
grama de control utilizado. 1 0011
2 0110
3 1100
4 1001
5 0011
6 0110
7 1100
8 1001

Tabla 1 – Secuencia de avance de los motores paso a
paso.
En el siguiente paso del programa se analiza el esta-
do de los sensores.
Cuando se hace la pregunta si hay problemas, esta se
refiere a las condiciones de las entradas. Si la respuesta
a la pregunta es NO quiere decir que sus niveles lógicos
están con los valores adecuados, logrando que el Robot
avance otro paso.
Si la respuesta es SI, implica que el quinto bit del
Puerto B, correspondiente a los sensores de objetos ex-
traños, está con valor lógico uno, o el sexto o séptimo
bit del Puerto B, sensores ópticos, están con valor lógico
igual a cero.
Para resolver este problema se llama a la rutina de
corrección. En ella se analizan las distintas soluciones.
En el caso de colisión, se desactivan los motores. El
movimiento continúa cuando el camino queda liberado
de la obstrucción.
Si el sexto bit está con valor lógico igual a cero, el
sensor izquierdo se encuentra sobre una superficie ne-
gra, fuera de la línea. La solución es activar el motor
izquierdo hasta que el sensor quede sobre la superficie
blanca. Se repite lo mismo en el caso del séptimo bit,
accionando sobre el motor derecho.
Figura 7 – Diagrama de flujo del programa. Cuando se termina la rutina de corrección, se realiza
la misma pregunta. De persistir algún problema se vuel-
El primer paso en la programación del microcontro- ve a llamar nuevamente a la rutina hasta que el mismo
lador es su configuración. Se definen entonces las en- quede solucionado.
tradas, las salidas, las variables a utilizar y el contenido
de los registros del microcontrolador. V. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS EXPERI-
Una vez hecha la configuración, lo siguiente en el MENTALES
diagrama de flujo es la rutina por la cual el Robot avan- En primera instancia, se ha experimentado los sensores
za un paso. Como es sabido, en los motores paso a paso, ópticos y el desplazamiento sobre una superficie total-
se debe seguir una secuencia determinada. mente blanca, siendo el resultado un movimiento entre-
Se observa en la tabla 1 que la secuencia se repite cortado. Este defecto ha sido mejorado iterando tiempos
cada cuatro pasos. Para cumplir la secuencia correcta de menores entre pasos; hasta lograr un avance continuo.
avance, se debe guardar en la memoria el último paso Los conjuntos de fotodiodos-fototransistores dife-
realizado. rencian bien el blanco del negro.

Luego, al ensayarse el robot sobre la línea blanca Con la experiencia adquirida con microcontrolado-
con diferentes curvas se han obtenido resultados satis- res, se diseñará el circuito correspondiente para reem-
factorios. plazar el PLC que controla la silla de ruedas de “C. Ri-
La figura 8 muestra al robot en distintas etapas de su gano et al. (2002)” manteniendo las mismas prestacio-
recorrido. nes.
Los movimientos de seguimiento que realiza en las Este proyecto, junto con la silla de ruedas motoriza-
curvas para corregir la dirección son buenos, aunque das para personas cuadripléjicas controlada por un PLC
perceptibles, manteniendo la homogeneidad en el reco- inician una línea de investigación y desarrollo dentro de
rrido. La disminución de velocidad es de alrededor de la carrera de Ingeniería Eléctrica en la temática de Ro-
un 30%, cumpliendo con lo esperado. bótica.
Se presentan inconvenientes con curvas menores a La experiencia obtenida en la construcción del Ro-
10 cm de radio curvatura. En curvas cerradas, el efecto bot ha motivado la organización en el mes de Noviem-
de su inercia es mayor que la velocidad de corrección en bre de una competencia de robótica en el nivel medio de
el seguimiento, quedando los dos sensores infrarrojos en la educación. Con esto se espera fomentar la robótica en
la zona negra. El resultado de esta inconsistencia es un los alumnos del nivel polimodal e insertarlos en este
avance muy lento y con un avance entrecortado, con un fantástico mundo.
leve giro a la derecha.
REFERENCIAS
Microchip Inc., Embedded Control Handbook (1995).
McComb, G., The Robot Builder’s BONANZA,
McGraw-Hill, New York (1987).
Jones, Seiger y Flynn, Mobile Robots, A K Peters
(1999).
Microchip, Inc., Microcontroller data book-The
emerging world standard, (1996).
Russell, Norvig, Inteligencia Artificial un Enfoque Mo-
derno, Prentice Hall (1996).
Bayliss, J., C. Brown, R. Carceroni, C. Eveland, C.
Harman, A. Singhal and M. Van Wie, “Mobile
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sity of Rochester, Computer Science Department.
Rochester, New York 14627 (1997).
Brooks, R., “A robust layered control system for a
mobile robot,” IEEE Journal of Robotics and
Figura 8 – Recorrido del Robot. Automation RA-2(1), 14 23 (1986).
Buhmann, J., W. Burgard, A.B. Cremers, D. Fox, T.
Para evitar este comportamiento, se ha modificado el
Hofmann, F.E. Schneider, J. Strikos and S. Thrun,
programa de control a los efectos registrar en la memo-
“The mobile robot rhino,” AI Magazine 16(1), 31
ria cuál es el último sensor en abandonar la línea para
38 (1995).
lograr un desplazamiento que le permita recuperar su
Feng, L., J. Borenstein and D. Wehe, “A completely
trayectoria. Esta modificación permitirá que el robot se
wireless development system for mobile robots,”.
desplace tanto en curvas más cerradas, curvas poligona-
Proceedings of the ISRAM Conference.
les, o en diferentes configuraciones de líneas.
Montpellier, France. pp. 571 576 (1996).
La poca autonomía obtenida con las baterías usadas
de celulares nos obliga a reemplazarlas. Por el momen- Schenk, S.J., “A mathematical model of wheelchair
to, las pruebas de funcionamiento se realizan con una racing,” PhD thesis. Faculty of New Jersey
fuente exterior de corriente continua de 12 voltios. Institute of Technology. New Jersey (2000).
Simmons, R.G., R. Goodwin, K.Z. Haigh, S. Koenig, J.
VI. CONCLUSIONES O'Sullivan and M.M. Veloso, “Xavier: Experience
El resultado de este proyecto cumple con las expectati- with a layered robot architecture. SIGART Bulletin
vas iniciales. El seguimiento de la línea blanco con fon- pp. 22 33 (1997).
do negro es bueno hasta curvas de 10 cm de radio. Se
mejorará el programa para poder seguir curvas más pro-
nunciadas, según lo expuesto en el punto 5.


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