Robot Laberinto

Robot de Laberinto Autores: A. Morales D. Coyago C. Sanga D. Aguay Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Email: [email protected] Email: [email protected] Email: [email protected] Email: [email protected]

Abstract  In this article we present the robot of the labyrinth  for the manufacture and design of this one was realized first an analysis of what implies the sensors so that the robot can move freely with the help of the same assigning an algorithmic programming for any type of situation.

RESUMEN En este artículo presentaremos el robot del laberinto  para la fabricación y diseño de este se realizó  primero un análisis de lo que implica los sensores  para que el robot pueda moverse libremente con la ayuda de los mismos asignando una programación algorítmica para cualquier tipo de situación.

INTRODUCCION El

documento

desarrollado

a

continuación trata sobre los “Robots de laberinto” o “Robots de Micromouse”.

El trabajo está desarrollado por un grupo de estudiantes de la ESPOCH para la asignatura de Circuitos Electricos I. El fin principal de este trabajo es aportar una base con la que enfrentarse al desarrollo de un robot de laberinto. Durante todo el texto abordamos diversos temas relacionados con este tipo de robots. Para poder desarrollar el tema con la mayor sencillez y amplitud posible hemos dividido el trabajo en varios aspectos. Seguimos con un análisis de las estructuras más usadas con sus ventajas e inconvenientes. Obviamente necesitamos algún método para salir del laberinto, esto lo abordamos en un apartado dedicado exclusivamente a la algoritmia, control y simulación. Para completar el trabajo desarrollado hemos realizado una propuesta de diseño utilizando herramientas de diseño en 3 dimensiones y llevando a cabo el  proyecto.

Finalmente aportamos unas conclusiones y consejos para que quien lo desee pueda realizar un robot sin tener los mismos  problemas que nos nos ocurrieron a nosotros.

MARCO TEORICO Análisis de estructuras y diseños de robots de laberinto A priori puede parecer que cualquier estructura es válida para nuestro robot, que lo importante es lo que tiene dentro,  pero esto no es del todo cierto. Dependiendo de la función de dicho robot será conveniente utilizar una u otra, incluso una mala elección puede hacer que se compliquen mucho las cosas en un futuro. Por ello, es conveniente utilizar  parte del tiempo en pensar donde colocar las partes del robot y de forma de hacerlo. A continuación estudiamos las partes más importantes de un robot laberinto:

El chasis El chasis es la estructura que sostiene y aporta rigidez y forma a nuestro robot. Un  buen símil sería el compararlo con el esqueleto humano. Por lo tanto queda  justificada la importancia de una correcta elección. Forma Imaginemos que hemos decidido hacer el robot con sensores de contacto, es decir, el robot va por el laberinto, se choca contra una pared y da media vuelta. En este caso la forma es importantísima  puesto que tendremos que pensar en que el robot debe ser capaz de girar sobre si mismo sin que la pared se lo impida, por ejemplo, con un cuadrado pasaría lo que vemos a continuación:

aspectos como la resistencia, facilidad de mecanizado y peso. Las soluciones que se han ido viendo en las competiciones son muy variadas, por ejemplo en el 2002 el robot AURELIO (a la derecha) utilizó policarbonato diciendo que: “ este material es resistente, a la par que ligero, permite ser cortado y troquelado sin presentar  problemas.”

Sin embargo, si elegimos una forma redondeada no tendríamos este  problema.

Método de manejo y el dar la vuelta En este apartado estudiaremos las distintas técnicas que se utilizan para conseguir buenos giros y movimientos. Esto es algo que debemos estudiar especialmente en los micromouse puesto que tenemos grandes restricciones de movimiento por el laberinto. Grados de movimiento Empezaremos viendo los dos tipos de movimiento que podemos tener, en función de los grados de libertad en el giro.

Ahora bien, ¿Que pasaría si utilizamos sensores de distancia?, ¿Ya no sería importante la forma?, en este caso, la forma seguiría siendo igual de importante puesto que, aunque en un  principio pudiéramos pensar que el robot nunca tocaría las paredes, en cualquier momento esto podría ocurrir y nos será mucho más fácil salir del problema eligiendo una buena forma para el robot.



Una buena solución a esto podría ser no  preocuparse de la forma del chasis, o no  preocuparse demasiado, y más tarde colocar una carcasa externa con la forma que queramos. Esta técnica es la empleada por ejemplo por el robot PI:

Materiales Las carcasas se han construido de diversos materiales: metal, plástico, madera…

El mejor criterio para elegir uno u otro será, en primer lugar, que dicho material esté disponible, ya que de poco nos servirá pensar en uno que no podamos conseguir. Y, entre los que encontremos, habrá que elegir entre uno u otro por  —  Página 1 — 

Movimiento en diagonal: Con este tipo de movimiento conseguimos unos desplazamientos notablemente más rápidos, puesto que la distancia que recorremos es menor. A cambio, nos encontramos con varios inconvenientes. Para empezar, será más difícil de construir, ya que para moverse en diagonal tendremos que tener en cuenta factores que de otro modo no los tendríamos, como por ejemplo estudiar más a fondo la colocación de los sensores, además, estos deben tener la suficiente precisión como para detectar las zonas en las que nos  podemos mover en diagonal y no chocarnos con las paredes. En cuanto al control del movimiento, este debe ser muy  preciso, ya que un pequeño desvío en la trayectoria podría hacernos rozar con las esquinas.



Movimiento en línea recta: este tipo de movimiento será mucho más sencillo de realizar que el diagonal, pero a cambio los desplazamientos serán más lentos al tener que recorrer más distancia. Con este tipo, nos  podemos encontrar problemas como que alguna rueda patine o que los giros no sean exactamente de 90-180º haciendo al robot tener un error acumulativo que puede tener graves consecuencias si no lo corregimos.

Un ejemplo de esta colocación sería la utilizada por el robot Charrito

La tracción Básicamente la tracción nos importará en función del tipo de giro que proporcione. Para ver el giro que necesita un robot debemos pensar en la función que va a desempeñar, es decir, es posible que en ciertos casos necesitemos más estabilidad que maniobrabilidad o al contrario.

Las ruedas Antes de ponernos a montar las ruedas debemos ver dónde deben estar colocadas. En principio podemos pensar en una colocación equidistante en la base lo más separadas posible para mayor estabilidad, ahora bien, si lo hacemos así debemos tener en cuenta cual será el eje de giro, en este caso, significaría que el robot no girará entorno al centro del círculo que forma su planta y por tanto colisionará con el obstáculo.

Aquí vemos como las ruedas motrices están colocadas de tal forma que el robot hará los giros sobre un punto distinto al centro de la base, en concreto, los giros serán los que vemos en la figura siguiente:

 —  Página 2 — 

sensor derecho con un valor de 011, indicaría que tenemos una pared  perpendicular a la derecha sin necesidad de desplazarnos a la correspondiente casilla, y por lo tanto invirtiendo menos tiempo en la exploración del laberinto La forma de utilizar estos sensores es la siguiente: 

Sensores Los robots de laberinto necesitan una manera de detectar las paredes dentro del laberinto, esto lo harán mediante sensores. Distinguimos dos tipos: de  proximidad simples o de distancia. Sensores de proximidad Estos tipos de sensores nos dan información sobre si hay o no hay algo, es decir, nos dan una señal binaria (verdadero o falso). Generalmente se



montan en las “alas” de los robots, de

modo que puedan detectar las paredes mirando los techos de estas. Si hay una  pared directamente debajo del sensor, su valor será verdadero, mientras que si no la hay el valor será falso. Un micromouse de este tipo tendría el siguiente aspecto:

El emisor: En el caso de la figura, polarizamos el diodo a través de un resistor, R, este se elige para establecer la corriente apropiada que  pasará a través del LED. También podemos usar otra opción en la que lo conectamos a través de un transistor controlado para que el LED emita solo cuando sea necesario, ahorrando así la energía que del otro modo desperdiciaríamos. El receptor: Este recibirá la señal, o no, dependiendo de si esta rebota en alguna superficie, dando una tensión nula, o positiva respectivamente.

El emisor y receptor pueden ser componentes separados, o estar contenidos juntos en un paquete plástico. En la siguiente fotografía los vemos  juntos:

Un diseño así tendrá por lo menos siete sensores, uno mirando al frente y por lo menos tres a cada lado. El sensor delantero evita que el ratón se estrelle con una pared próxima al frente, mientras que los laterales permiten que el ratón corrija su trayectoria. En el caso de la figura anterior, si los sensores izquierdos leen un valor de 010 indica que el ratón esté centrado dentro de la casilla. Si leemos un valor de 100, indicaría que el ratón está descentrado a la derecha y necesita corregir a la izquierda, y al contrario con un valor 001.

Sensores de distancia Al contrario que los sensores de  proximidad, los de distancia no devuelven un simple verdadero/falso. Estos miden la distancia física entre el robot y la pared, y devuelven un valor, el cual, el microcontrolador pueda interpretar como distancia. Una forma de poner este tipo de sensores en funcionamiento es utilizar un circuito similar al del sensor de  proximidad. La gran diferencia es que el fototransistor no es forzado a la saturación. El emisor genera una luz que

Usar este tipo de sensores tiene otra ventaja. Si por ejemplo leemos el  —  Página 3 — 

se reflejará en la pared y, cuanto más cercano esté el robot de esta, más  brillante será la luz reflejada y por lo tanto mayor señal recibirá el receptor. Un método bastante popular para medir distancia es utilizando el GP2D12. Este sensor emiten una luz IR sobre la  pared que es reflejada y recibida por el dispositivo de detección de posición (PSD). Dependiendo del ángulo de reflexión el microcontrolador obtendrá el correspondiente dato para poder actuar. Los sensores de este tipo suelen ser más inmunes a variaciones del color y de iluminación.

Puente en H

Motores paso a paso La principal característica de estos motores es el hecho de poder moverlos  paso a paso aplicando pulsos. Dependiendo del motor, un paso puede ser desde 90° hasta 1.8°, es decir, se necesitarían 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 en el segundo (1.8°), para completar un giro completo de 360°.

Motores Los motores serán los encargados de generar los desplazamientos en el robot,  por lo tanto, la elección de estos será algo determinante para conseguir un buen movimiento, tanto en aceleración como en velocidad punta.

La gran ventaja de estos motores es que no necesitamos usar encoders para controlar el movimiento y saber dónde estamos, es decir, seremos capaces de conocer en todo momento la posición sin más que llevar un control de los pulsos aplicados.

A continuación comentamos,  brevemente, los principales motores, que  podremos utilizar.

Motores C.C. En un motor C.C. la tensión se aplica directamente a los terminales de este  produciéndose el movimiento. Una vez  polarizado, se alcanza, rápidamente, una velocidad constante que dependerá dicho voltaje aplicado y de las características del motor. La cantidad de fuerza que se  puede generar será función de la corriente por las bobinas, siendo mayor al aumentar esta, es decir, si queremos generar una cierta velocidad, la corriente que debemos generar será mayor si el motor tiene una carga que si no.

Podemos clasificarlos en dos grupos: • •

Unipolares Bipolares

Servo motores Los servos se caracterizan por ser capaces de mantener cualquier  posición, dentro de su intervalo de operación, en función de la señal de entrada.

Generalmente, para polarizar el motor utilizaremos un puente en H, consiguiendo así un buen control de la tensión aplicada y pudiendo invertir la  polaridad, y por tanto el sentido de giro, si se necesita.

Para el caso que nos ocupa, quizá lo más práctico sería utilizarlo tras haberle quitado los topes y la electrónica encargada de mantener la posición, es decir, lo usaremos  —  Página 4 — 

como un motor de continua, siendo estos  baratos y con buenas prestaciones. Esto es lo que utiliza por ejemplo el robot HERTRON:

Alcalinas: Éste tipo se encuentra fácilmente en cualquier tienda y proporciona un voltaje mayor que las recargables. Como inconveniente tenemos su alta resistencia interna, por lo que es  posible que no puedan  proporcionar mucha corriente en determinados motores.  NiCad: Como inconveniente nos encontramos con que tienen una menor tensión que las alcalinas, necesitando un mayor numero para alcanzar un voltaje dado. Sin embargo, por su baja resistencia interna pueden llegar a proporcionar una mayor corriente a los motores, por esta razón suelen ser comunes en los micromouse de alto rendimiento.  NiMH: La única ventaja que encontramos en este tipo de  baterías es que, manteniendo una buena resistencia interna, tienen mayor capacidad de las de NiCad. Y como inconveniente la dificultad a la hora de cargarlas. Análisis de algoritmia •

HERTRON

Baterías La baterías serán la alimentación de nuestro robot, sin ellas nuestro robot no sería más que un amasijo de hierros que no serviría para mucho, por eso habrá que  pensar detenidamente cual será el consumo para conseguir que en un futuro no nos encontremos problemas como que la energía que tenemos no sea la suficiente. No obstante, un gran inconveniente es el peso de las mismas,  por lo que no conviene poner pilas de más sino solo las que sean necesarias.

•

•

La tabla siguiente enumera algunas de las características más típicas de los tipos más populares de baterías:

Alcalinas  NiCad Voltaje de la célula

NiMH

unidad

1.5

1.2

1.2

voltio

Capacidad

2000

500

1100

mAh

Densidad de la energía

190

44

53

Wh/kg

Resistencia interna

150

10

30

ohm

Cargador

ninguno

simple difícilmente

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Para abordar un estudio sobre la algoritmia usada en los robots de laberinto, vamos a hacer una clasificación basada en si el laberinto es o no conocido.

Algoritmo aleatorio Este algoritmo se basa en moverse al azar, es decir, desplazarse en una

dirección y seguir el pasadizo hasta el siguiente cruce, sin hacer giros de 180º hasta que no sea necesario. Simula el comportamiento de un ser humano sin memoria y no recuerda por donde ha  pasado, por lo que no garantiza la llegada al final. En contraposición, es un algoritmo muy simple.

simples, y al guardarlas se actualizará directamente en los conjuntos de piezas. Esta estructuración permite simplificar el diseño, que aun así es complicado.

Desarrollo por partes del diseño.

Diseño de nuestro robot. Base del robot.

Para el diseño de nuestro robot comenzamos con un boceto a mano alzada en una hoja. La base de las ideas estaba ya realizada, faltaba manejar el Catia.

La base sigue una forma triangular, siguiendo los conceptos de estructuras estudiados. Con esta forma conseguimos hacer los giros con mayor facilidad y evitar atascos con las paredes. Las ruedas se incluyen dentro del perímetro de la elipse base, para que no choquen directamente contra la pared en caso de haber perdido la referencia. A continuación se muestran sus planos:

Primero se realizaron las primeras piezas simples (la base, los cd’s, los GP2D12…). En estos primeros pasos en

el Sketcher y en el Part Desing se toma un primer contacto con las herramientas, que hace que se coja soltura poco a poco. En cada una de las partes creadas se ha utilizado una forma de dar volumen. No hay una sola forma de crear una pieza. Por ejemplo, un cilindro puede hacerse como un rectángulo girado 360º sobre uno de sus lados o como una circunferencia a la que se le da volumen vertical (u horizontal). De ahí la gran  posibilidad de diseños de piezas y figuras.

Sensor Sharp GP2Y0A21YK0F Los sensores es una parte fundamental del robot. Se han diseñado en catia siguiendo las medidas de la hoja de características.

El ensamblado es una parte extremadamente compleja y debe realizarse paso a paso. Una vez que se tenían todas las piezas simples, se hace un pre-ensamblado de piezas. Por ejemplo, los cd’s se unen o se pone el

soporte al motor. A su vez estas piezas compuestas se vuelven a ensamblar con otras. El ensamblado recursivo nos hace tener un orden de ensamblado, que hace que el conjunto esté ordenado.

Arduino El ensamblado final requiere que todos los sub-ensamblados esten correctos. Si es así, es muy sencillo, ya que todas las medidas han sido previstas y encaja todo. En cuanto una medida es errónea, el montaje puede dar fallos como la superposición de piezas.

Es el “cerebro” de nuestro robot. Se ha

diseñado siguiendo las medidas de la  placa original. Con ello conseguimos saber perfectamente donde puede ser ensamblada y su posición ideal dentro del conjunto del robot.

Los posibles errores se pueden corregir directamente en las piezas  —  Página 6 — 

motores paso a paso necesitamos llevar una cuenta de los pasos dados, y controlando el tiempo entre pasos  podemos saber la velocidad. Entonces utilizamos uno de los Timer que tenemos, lo configuramos para que interrumpa cada 3.33ms, de manera que configuramos el sistema para dar un paso cada 6.66 ms. Los sensores de distancia los muestreamos cada 100 pasos (cada media vuelta) de forma continua. Así tenemos referencias de todas las  paredes cada poca distancia.

Motor paso a paso. Es el elemento que hace que se mueva el robot. Se hizo un primer modelo de motor genérico, al que se le agregó el tipo de soporte una vez que se supo de cual se disponía. Gracias al diseño en Catia,  podemos calcular la medida de distancia que debe tener con el suelo para que las

Para que nosotros podamos ver los datos hemos instalado un LCD de 4 líneas que nos muestra los datos ofrecidos por los GP2 y el número de vueltas que han dado los motores paso a paso.

ruedas locas y los cd’s toquen el suelo sin

 perder la horizontalidad de la base.

A continuación mostramos el código implementado: #include #include int ir_sersor0 = A0; float lectura; int cm; #define MAX_DISTANCE 80 #define MAX_SPEED 200 #define MAX_SPEED_OFFSET 40 #define COLL_DIST 10 #define TURN_DIST COLL_DIST+20

Montaje real del robot:

AF_DCMotor izqMotor(2); AF_DCMotor dereMotor(1); Servo myservo;

Pensamos que para la práctica nos iba a ser de gran ayuda el montaje de un robot de laberinto, por eso, aun teniendo poco tiempo, decidimos diseñarlo intentando que al menos funcionase su sistema sensorial y motriz.

int izqdistancia, deredistancia; int curDist = 0; String motorSet = ""; int speedSet = 0;

El primer paso que realizamos fue centrarnos en el funcionamiento software del sistema, para ello utilizamos el lenguaje en el programa de arduino.  Nuestro primer objetivo era que se moviesen los motores. Al utilizar

void setup() { myservo.attach(10); myservo.write(90); delay(1000); } void loop() {  —  Página 7 — 

//----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------void moveStop() { izqMotor.run(RELEASE); dereMotor.run(RELEASE);} //----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------void moveForward() { motorSet = "BACKWARD";

myservo.write(90); delay(90); curDist = readPing(); if (curDist < COLL_DIST) {changePath();} moveForward(); delay(500); } //-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

izqMotor.run(BACKWARD);

void changePath() { moveStop(); myservo.write(30); delay(500); deredistancia = readPing(); delay(500); myservo.write(160); delay(700); izqdistancia = readPing(); delay(500); myservo.write(90); delay(100); compareDistance(); }

dereMotor.run(BACKWARD); for (speedSet = 0; speedSet < MAX_SPEED; speedSet +=2) { izqMotor.setSpeed(speedSet); dereMotor.setSpeed(speedSet); // delay(5); } } //----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------void moveBackward() { motorSet = "FORWARD";

void compareDistance() { if (izqdistancia>deredistancia) { turnLeft(); } else if (deredistancia>izqdistancia) { turnRight(); } else { turnAround(); } }

izqMotor.run(FORWARD); dereMotor.run(FORWARD); for (speedSet = 0; speedSet < MAX_SPEED; speedSet +=2) { izqMotor.setSpeed(speedSet); dereMotor.setSpeed(speedSet); //delay(5); } } //----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------void turnRight() { motorSet = "RIGHT";

//-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

izqMotor.run(BACKWARD);

int readPing() { delay(70); lectura = analogRead(ir_sersor0); cm=pow(3027.4/lectura,1.2134); return cm; }

dereMotor.run(FORWARD);

 —  Página 8 — 

dereMotor.setSpeed(speedSet+MAX_S PEED_OFFSET); delay(1500); motorSet = "BLACKWARD";

CONCLUSIONES En cuanto a la estructura hemos visto que es preferible usar algo más de tiempo decidiendo una buena, ya que una mala elección podría complicar la salida del laberinto. Por otro lado, hemos visto que dependiendo del presupuesto que tengamos conseguiremos un resultado mejor, ya que, por ejemplo, el material de la base será mejor o peor y tendremos más o menos precisión de los sensores.

izqMotor.run(BACKWARD); dereMotor.run(BACKWARD); } //----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------void turnLeft() { motorSet = "LEFT"; izqMotor.run(FORWARD);

Respecto al tema de algoritmia, podemos destacar tres conclusiones:

izqMotor.setSpeed(speedSet+MAX_SP EED_OFFSET);



dereMotor.run(BACKWARD); delay(1500); motorSet = "BACKWARD"; izqMotor.run(BACKWARD); 

dereMotor.run(BACKWARD); } //----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------void turnAround() { motorSet = "RIGHT";

Todos los algoritmos aplicados al enrutamiento de redes para encontrar el camino más corto desde un punto hasta otro, son aplicables al diseño de robots de laberinto, existe poca algoritmia que de forma específica sirviese para robots. Otro punto importante a reseñar, es el de que cuanto más sofisticado sea el laberinto a implementar, requiere un control mucho más complejo.

RECOMENDACIONES

izqMotor.run(BACKWARD);



dereMotor.run(FORWARD); dereMotor.setSpeed(speedSet+MAX_S PEED_OFFSET); delay(2000); motorSet = "BLACKWARD";



izqMotor.run(BACKWARD); dereMotor.run(BACKWARD); } 

Con este código tanto las especificaciones del funcionamiento de los sensores y motores del robot del laberinto se implementan en el Arduino y se hace más sencillo su desarrollo si tener aplicaciones extra para el mismo  —  Página 9 — 

Se recomienda a la revisión de temas sobre robótica antes de empezar hacer un robot tener conocimientos teóricos de que como hacer un robot para que tenga los menores inconvenientes en el campo de la practica Estudiar algoritmos para comprender la implementación de código para el funcionamiento tanto de los sensores y de los motores del robot. Leer sobre la programación en Arduino.

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