DISEÑO DEL VEHÍCULO AUTOBALANCEADObibing.us.es/proyectos/abreproy/70099/descargar_fichero... · CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL VEHÍCULO AUTOBALANCEADO 2.1. Diseño de la estructura En

CAPÍTULO 2

DISEÑO DEL VEHÍCULO

AUTOBALANCEADO

2.1. Diseño de la estructura

En el diseño de la estructura del vehículo se ha tenido presente la idea principalen que se basa el mismo, es decir, se trata de un péndulo cuyo eje de rotación debecoincidir con el eje de giro de los motores que se usarán para desplazar al vehículo ymantenerlo en equilibrio en la posición vertical superior.

La forma elegida para la estructura es la de una T invertida. Esta forma se ha es-cogido principalmente por presentar buena movilidad y manejabilidad. Con esta es-tructura se puede diferenciar de manera intuitiva entre el péndulo propiamente dicho,que es la parte vertical, y lo que podríamos denominar base, que es la parte que quedahorizontal y más cercana al eje.

Con el fin de mantener al máximo posible la simetría del péndulo, toda la electró-nica y elementos auxiliares que pueden romper esa simetría se pretenden colocar lomás cercano posible al eje de forma que el momento de inercia generado por ellos seamenor. La estructura en T también permite, al tener dos brazos en la línea del eje, quese puedan colocar elementos en esa línea para que así no se desplace en gran medidael centro de masas del péndulo con respecto a la línea que describe el centro de sime-tría del mismo. Evitando la desviación del centro de masas con respecto al eje internodel péndulo, se consigue que cuando el péndulo esté en el punto de equilibrio en elque se pretende estabilizar el sistema, no se aprecie una inclinación del vehículo. Aesto afectará también la calibración de los sensores.

El material que se ha elegido para la estructura es el aluminio por varios moti-vos. El principal es su ligereza ya que permitirá reducir el peso total del vehículo demanera considerable frente a otros metales. Se trata de un material resistente frente5

2. DISEÑO DEL VEHÍCULO AUTOBALANCEADO

a ciertos materiales plásticos o el PVC. Es un material dúctil y fácil de trabajar paraadaptar las piezas en el vehículo. Y por último, no es magnético y por tanto no causaráinterferencia en los sensores con partes magnéticas que se van a usar en el vehículo.

Figura 2.1: Perfil de aluminio extruido para la estructura del vehículo.

La estructura se formará a partir de dos fragmentos de perfil de aluminio extruidocomo el que se muestra en la Fig. 2.1. Dichos perfiles de aluminio se usan frecuente-mente en carpintería metálica para muchos usos, principalmente para la construcciónde estructuras modulares.

Figura 2.2: Estructura en forma de T invertida.

Como se muestra en la Fig. 2.2, este tipo de perfiles tiene unos carriles que, me-diante elementos específicos de unión como los de la Fig. 2.3, permiten la sujeción de6

2.2. MOTORES

los dos fragmentos para formar estructuras. En nuestro caso eso permitirá montar laestructura del vehículo. Esos carriles, también permitirán acoplar el resto de elemen-tos a la estructura con la ventaja de que puedan ser acoplados en cualquier punto dela misma, dando lugar a distintos montajes.

Figura 2.3: Elementos de unión de perfiles para formar la estructura.

Para la sujeción de los distintos elementos a la estructura se han elaborado unaserie de piezas de aluminio que se pueden insertar por un extremo del carril y des-plazar hasta el punto deseado. En estas piezas se han hecho agujeros roscados demanera que se pueden utilizar a modo de tuerca. El elemento que se quiera acoplar ala estructura tendrá un agujero pasante por el que se introduce un tornillo de métricacorrespondiente a la usada en las piezas de aluminio. Al apretar el tornillo, las lámi-nas de aluminio del perfil que forman el carril, se quedan atrapadas entre la pieza y elelemento a sujetar quedando así fijado a la estructura.

2.2. Motores

Uno de los elementos principales de nuestro sistema, al tratarse de un vehículo,serán los motores. Además de permitir el desplazamiento del vehículo, son los ele-mentos que actúan físicamente sobre el sistema, dirigidos por el controlador que sediseñe, para la estabilización del péndulo.

Para dotar al vehículo de libertad de movimiento se proveerá de unas baterías quealimenten a todo el sistema, incluidos los motores. Los motores del vehículo deberánser por tanto, motores de corriente continua.

Las características principales que habrá que tener en cuenta para la elección delos motores serán el par que son capaces de generar, la velocidad máxima alcanzable,la tensión de alimentación, el tamaño y el peso. 7


El voltaje de alimentación de los motores está directamente ligado a su potencia.Por otro lado, el tamaño reducido que se quiere dar al vehículo hace que todos sus ele-mentos deban tener también un tamaño reducido, lo cual implica que las baterías nodeben tener un volumen muy elevado. El tipo de baterías seleccionado está compues-to por celdas en serie de un volumen fijo y por tanto para mayor voltaje tendremos unmayor volumen. Esto nos lleva a que se seleccione como solución de compromiso unvoltaje de 12 V.

En nuestro caso, lomotores deben girar en ambos sentidos. Para ello se ha de acom-pañar a losmotores de circuitos especiales capaces de invertir la corriente que se aplicaal motor. Se usarán circuitos en lo que denominaremos controladora de motores. Esa con-troladora de motores recibirá la señal de actuación para los motores, que trabajarán aun voltaje fijo de alimentación, y aplicará una corriente en función de la consigna demovimiento deseada. La controladora de motores contendrá un puente H por motor,es decir, el circuito necesario para poder invertir el sentido de movimiento.

El par y la velocidad de unmotor puedenmodificarse mediante el uso de conjuntosde engranajes. Al utilizar un juego de engranajes de relación n : 1 se multiplica el parpor n mientras que se divide la velocidad por la misma cantidad.

Fijado el voltaje de alimentación a 12 V y con la consigna de minimizar el tamañoy peso de los motores, se centrará la elección en la selección del par y la velocidadnominales.

El tipo de aplicación que se quiera dar al vehículo marcará el par y velocidad ne-cesarios. Por ejemplo, el par necesario para estabilizar el vehículo trabajando en unentorno cercano al punto de equilibrio será menor que el par necesario para levantar-lo desde puntos cercanos a la horizontal.

El primer objetivo marcado para el vehículo es la estabilización del mismo en po-sición vertical a través de distintas leyes de control tanto lineal como no lineal. Paraello no se necesita un par muy elevado ni velocidades muy altas.

Al buscar productos en el mercado, aparece la posibilidad de utilizar conjuntoscompuestos por motores con juego de engranajes, controladora, codificador de pasos,placa controladora de los motores y ruedas adaptadas al eje de los motores. Este tipode kits presenta la ventaja de que los productos que los componen están adaptadospara su uso conjuntamente.

El hecho de que uno de esos kits pueda encontrarse en stock en un distribuidorlocal, lo que hace que el tiempo de servicio se reduzca notablemente, nos lleva a laselección del mismo para el montaje de un primer prototipo.

El kit seleccionado se denomina RD01 y está fabricado por la empresa Devantech.8

2.2. MOTORES

El kit completo se presenta en la Fig. 2.4. Se compone de dos motores EMG30, dosplataformas de sujeción, dos ruedas de 100 mm y una controladora de motores MD23del mismo fabricante.

Figura 2.4: Kit de locomoción RD01.

El EMG30 es un motor de corriente continua de 12 V que incluye una reductora30 : 1 y un codificador de pulsos que permite calcular la posición de giro o la velocidadde giro del eje del motor. Se trata de un motor diseñado para aplicaciones robóticas demediano o pequeño tamaño y bajo coste.

El codificador de pulsos acoplado al motor está compuesto por dos sensores deefecto hall que proporcionan 360 pulsos por vuelta completa del rotor.

El par nominal del motor es de 147 mNm, mientras que la velocidad nominal es de170 rpm.

En la Fig. 2.5 se muestra uno de los motores EMG30. Las especificaciones del motorse presentan en el Apéndice A elaborado a tal efecto.

A pesar de tratarse de un motor pequeño y de par bajo, permitirá estabilizar elvehículo en la posición vertical partiendo de ángulos iniciales pequeños. El hecho deestar todos los elementos necesarios incluidos en un kit permitirá un desarrollo másrápido del vehículo en esta primera fase de diseño y montaje.

Los motores se colocan anclados mediante tornillos a unas plataformas de sujecióndiseñadas para tal efecto (ver Fig. 2.6). Los ejes de los motores pasan a través de unos9


Figura 2.5:Motor EMG30.

agujeros cada plataforma de sujeción hacia la parte externa del vehículo donde se leacoplan las ruedas.

Figura 2.6: Anclaje para motor EMG30.

Para unir las plataformas de sujeción de los motores a la estructura del vehículo nose ha utilizado el sistema de piezas movibles dentro del carril de la estructura. Esto sedebe a que sobre esas piezas se va a soportar todo el peso del vehículo y la vibraciónentre la estructura y los motores a causa del terreno. En este caso se usará un anclajefijo mediante tornillos y tuercas que pasan a través de las dos estructuras a unir. En laFig. 2.7 se puede ver el montaje del conjunto motor, rueda y fijación.

Una vez en funcionamiento el primer prototipo del vehículo, se ha decidido re-plantear los objetivos pretendidos para el vehículo, ampliando la cuenca de atracción10

2.2. MOTORES

Figura 2.7: Detalle del Motor EMG30 y ruedas montados en el vehículo.

del sistema para que se pueda lograr estabilizar desde puntos con ángulos inicialesmayores. En concreto se pretende levantar el vehículo partiendo de puntos cercanos ala horizontal. Los motores usados inicialmente serán insuficientes en este caso, por loque tendrán que elegirse nuevos motores con par nominal mayor.

Por otro lado, se ha detectado que la precisión del sistema de control a bajo nivelde los motores tiene poca precisión y junto con la holgura que presentan los motoreshace que el vehículo oscile considerablemente en torno al punto de equilibrio. Por ellose ha decidido cambiar también la controladora de los motores, que además es muyprobable que debiese cambiarse en cualquier caso para acondicionarse a los motoresde mayor potencia.

Para calcular el par necesario de los motores se ha recurrido al modelo del sistemaque se estudiará en capítulos posteriores. De la ecuación (4.32) se obtiene que, partien-do del reposo, es decir, de x2 = 0, x2 = 0 el par necesario para mantener un ángulo x1

deseado esτ =

γη sin x1

η + β cos x1

(2.1)

Al aplicar un par mayor, el péndulo se levantaría. Si estudiamos el caso del pén-dulo en posición horizontal, que es el deseado, la ecuación se reduce a que el parnecesario debe ser τ > γ = mgl. Atendiendo a los parámetros del vehículo que semostrarán con el modelo, y teniendo en cuenta que tenemos dos motores, el par míni-mo calculado por motor es τ > 3 Nm.

Tras consultar distintos fabricantes, el que presenta una mejor relación de par fren-te a tamaño y peso es Maxon Motor. Consultando su catálogo nos centraremos en losmotores de corriente continua, en concreto en la serie RE, en el modelo RE-30. Se trata11


de un motor de 60 W con escobillas. Dentro de la gama se ha seleccionado la opciónde 12 V para mantener el sistema de baterías usado en la versión anterior del vehículo.Este modelo proporciona un par nominal de 51.7 mNm y una velocidad nominal de7630 rpm. Se utilizará una reductora junto con el motor. La serie aconsejada por el fa-bricante es la GP-32-A, de la cual se ha seleccionado una relación 66:1. De esta forma,el par nominal resultante es 3.412 Nm y la velocidad nominal 115.6 rpm.

En la Fig- 2.8 se muestra un motor Maxon de la serie RE.

Figura 2.8: Motor Maxon RE.

La velocidad nominal de los motores, usando una rueda de 0.05 m de diámetroequivale a 20.8 km/h lo cual se considera una velocidad suficiente para el vehículo.

Al motor elegido se ha incorporado un codificador de 1024 pulsos por vuelta delmismo fabricante que el motor denominado MR-1024.

El conjunto formado por el motor, la reductora y el codificador de pulsos se su-ministra montado en una pieza por el fabricante. El tamaño del conjunto permitiríamontarse en el primer prototipo del vehículo sin tener que ampliar la estructura.

El resto de especificaciones demotor, reductora y codificador de pulsos se presentaen el Apéndice B.

2.3. Ruedas

En el primer prototipo del vehículo, las ruedas utilizadas son las que incorporael kit de locomoción en el que se incluyen los motores. Se trata de unas ruedas deplástico con una banda rodante de goma para evitar deslizamiento. La rueda tiene undiámetro de 100 mm e incorpora un casquillo de sujeción al eje del motor de 5 mm. Lamasa de cada rueda es de 120 g. Estas ruedas pueden verse en la Fig. 2.9.12

2.3. RUEDAS

Figura 2.9: Rueda incorporada en el kit RD01.

Al realizar pruebas con el vehículo en funcionamiento se detecta que para ciertassuperficies duras y muy lisas se produce un pequeño deslizamiento, principalmenteen el caso de superficies inclinadas. Para solucionarlo, al plantearse la opción de laconstrucción de un segundo prototipo se decide buscar una rueda de un material me-nos deslizante. Otro problema que puede presentarse en lugares con suelo irregulares que al tener las ruedas un diámetro pequeño el vehículo puede quedar enganchadocon facilidad y caer. Para ello, y teniendo en cuenta además que la velocidad lineal delvehículo se ve favorecida al aumentar el diámetro de la rueda se ha decidido que lasnuevas ruedas tengan un diámetro mayor.

Los motores para el segundo prototipo del vehículo cuentan con un eje de 6mm dediámetro. En el mercado, para encontrar ruedas adecuadas para ese tamaño de ejeshay que acudir al ámbito del radio control o el aeromodelismo. Las ruedas usadasen este ámbito no suelen tener un diámetro muy grande por lo que como soluciónprovisional se van a utilizar ruedas que solucionan el problema del deslizamiento siaumentar considerablemente el diámetro. Posteriormente se fabricarán ruedas a me-dida para el vehículo.

Las ruedas que se van a utilizar son unas ruedas denominadas ”Big Wheels” delfabricante Du-Bro. Se trata de unas ruedas de caucho, hinchables, de 127 mm de diá-metro (5”). La Fig. 2.10 muestra el juego de ruedas descritas. Para acoplar las ruedasal eje de los motores se van a utilizar casquillos de sujeción para eje de 6 mm como losque se muestran en la Fig. 2.11.

La versión definitiva de las ruedas tendrá que realizarse a medida, debido a que sequiere utilizar un diámetro considerablemente mayor. Se pretende realizar las ruedas13


Figura 2.10: Ruedas Du-Bro Big Wheels 5”.

Figura 2.11: Casquillos para sujeción de ruedas a eje de 6 mm.

mediante un disco de aluminio con una banda de rodadura de caucho o goma paraevitar deslizamientos. En el momento de escritura de este documento las ruedas nohan sido construidas.

2.4. Unidad controladora de motores

Por unidad controladora de motores nos referiremos al circuito que realiza el control abajo nivel de los motores. Se trata de una placa basada enmicrocontrolador que realizavarias tareas entre las que destaca el control de la potencia suministrada a los motorespara que en éstos se alcance una velocidad, posición o un par determinado.14

2.4. UNIDAD CONTROLADORA DE MOTORES

Como se ha dicho, es la encargada de suministrar la potencia a los motores. Porello, los motores no reciben la alimentación directamente de las baterías, la recibena través de la controladora que es la que está conectada directamente a ellas. Nor-malmente, la electrónica de la controladora es capaz de funcionar a una tensión dealimentación menor que la tensión de funcionamiento de los motores. Gracias a esto,si la tensión de las baterías bajase, el sistema no dejaría de funcionar directamente,simplemente no podría alcanzar su potencia máxima. Para el caso contrario en quese alimente a una tensión mayor a la indicada es necesario que la controladora tengaelementos de protección contra sobretensión para no dañar los circuitos o los motores.En caso de que la controladora no tenga este tipo de protección se aconseja que seimplemente de manera externa.

Existen distintos tipos de controladoras de motores en función de que la salidaque se quiera obtener sea en par (corriente), velocidad o posición. La controladorarealmente actúa mediante corriente, pero para los casos de velocidad y posición seaplican bucles internos de control junto con el uso de realimentación para lograr elvalor deseado.

El control del motor se implementará en la controladora, bien a través de controla-dores internos tipo PID, bien en función a entradas analógicas o bien por la asignacióndel valor deseado mediante consignas dadas por otro dispositivo digital.

En nuestro caso se pretende controlar el par del motor. Las leyes de control seimplementarán en un microcontrolador y éste se conectará de manera digital a la con-troladora de los motores para, a través del envío de consignas, darle el valor de parque se ha de aplicar.

A través de la conexión de sensores o codificadores de pulsos, la controladora demotores podrá suministrar valores de velocidad del motor, posición del eje, tensiónde la batería y corriente suministrada entre otros.

Para el primer prototipo del vehículo autobalanceado, se ha utilizado la controla-dora suministrada en el kit de locomoción junto con los motores. Se trata de la con-troladora MD23 del fabricante Devantech, que se presenta en la Fig. 2.12. Es una con-troladora de dos canales (dual) con lo que permite controlar dos motores al mismotiempo. Está basada en un circuito de tipo puente en H capaz de controlar dos moto-res de corriente continua de hasta 3 amperios y 12 V. Se controla mediante el envío deconsignas desde un microcontrolador externo por comunicación basada en bus I2C.Contiene una serie de registros donde se almacena la aceleración, la velocidad, la co-rriente de cada motor y los contadores de los codificadores de pulsos de cada motor,a través los cuales se realiza el control mediante lecturas y escrituras. El modo de fun-cionamiento por defecto está basado en el control de la velocidad de los motores, pero15


en nuestro caso, mediante la anulación del bucle interno de control podremos actuarsobre el par aplicado.

Figura 2.12: Controladora de motores MD23 de Devantech.

Las especificaciones y modos de configuración de la controladora de motoresMD23 se amplían en el Apéndice C.

Como se comentó en referencia al cambio de motores para la ampliación delvehículo, las características de estos nuevos motores implican la necesidad de unanueva controladora que además aporte mayor precisión en el control.

Para la elección de la nueva controladora de motores se ha seguido la recomen-dación del fabricante de los mismos. Para el motor seleccionado se aconsejan variosmodelos de controladora que se ajustan a sus características. De entre esos modelos seha seleccionado la unidad controladora de motores EPOS 24/5, que se muestra en laFig. 2.12.

La unidad controladora de motores EPOS 24/5 admite una entrada de alimenta-ción de 12 V y es compatible con el rango de salida necesario para los motores utili-zados. Será necesaria una controladora por motor ya que cada controladora tiene unúnico canal. Permite el control del motor por corriente que será proporcional al paraplicado. Permite entradas, tanto analógicas como digitales y salidas digitales para laconexión de otros dispositivos auxiliares como puedan ser elementos de seguridad.

La conexión del sistema de control del vehículo con la controladora de motoresse puede realizar bien por puerto serie o bien mediante bus CAN. La comunicaciónpuede hacerse con cada una de las dos controladoras por separado o comunicándosecon una vía RS-232 y utilizando un puente CAN entra ambas.16

2.5. BATERÍAS

Figura 2.13: Controladora de motores Epos 24/5 de Maxon Motor.

Desde el sistema de control del vehículo se podrá configurar las controladoras ini-cialmente para posteriormente dar las consignas de par en cada tiempo de muestreodel sistema para que se apliquen en los motores.

Los codificadores de pulsos de los motores se conectan directamente a la EPOS24/5 que hace los cálculos de velocidad o posición de giro descargando de esa tarea almicrocontrolador principal. Esos datos pueden ser leídos por el sistema principal bajopetición.

Otras especificaciones técnicas de la unidad controladora de motores se muestranen el Apéndice D.

2.5. Baterías

Tanto los motores eléctricos del vehículo autobalanceado como todos los elemen-tos electrónicos necesarios para su control y operación necesitan de una alimentacióneléctrica para poder funcionar.

Para poder dotar al vehículo de total movilidad, la alimentación debe realizarse através de baterías colocadas a bordo. El uso de cables para una alimentación externalimitará fuertemente la movilidad del vehículo.

Dado el pequeño tamaño del sistema completo, las baterías a usar no pueden serexcesivamente grandes para poder colocarse en el mismo. El peso de las mismas nodebe ser muy elevado para no influir excesivamente en la distribución de pesos del17


conjunto. El peso del conjunto influye en la elección del motor. De esta forma paramover una masa grande es necesario un motor de mayor potencia que necesita unmayor consumo.

Losmotores que se han seleccionado pueden trabajar con una alimentación de 12 V.Por otro lado, los distintos elementos electrónicos del sistema necesitan alimentacio-nes que se encuentran en un rango cercano a los 5 V.

Al existir diferentes rangos de alimentación para motores y el resto de elementoselectrónicos se ha decidido separar la alimentación en dos sistemas paralelos corres-pondientes a esos dos grupos. La corriente que pueda ser requerida por los motoresen algunos casos puede ser muy elevada con respecto a la corriente soportada poralgunos elementos de la electrónica por lo que con la separación de estos grupos encuanto a alimentación también se están protegiendo lo componentes menos robustos.

El tipo de baterías que permite minimizar peso y volumen con buena respuestaen corriente es el basado en polímeros de litio (Li-Po, Lithium polymer). Este tipo debaterías es ideal para una aplicación en la que el tamaño y peso son importantes ypermite una gran autonomía de carga y gran potencia.

Las baterías Li-Po están formadas por elementos de 3.7 V. Con la unión de varioselementos se formarán distintas baterías. A la conexión de dos elementos en serie se ledenomina 2S y se trata de una batería de 7.4 V. La conexión en serie de tres elementos(3S) proporciona un voltaje de 11.1 V.

En nuestro caso se va a usar una batería de 7.4 V y 2200 mAh para la electrónica yuna batería de 11.1 V y 2200 mAh para los motores que se muestran en la Fig. 2.14.

Figura 2.14: Baterías Li-Po utilizadas.18

2.6. SISTEMA DE CONTROL

Se puede comprobar que la carga real de las baterías es superior a la nominal y trasbastante tiempo de uso comienza a caer el voltaje. Para las baterías de 7.4 V la cargareal está en torno a 8.4 V mientras que para las baterías de 11.1 V la carga real está entorno a 12.6 V. Se ha comprobado que el número de experimentos que permiten lasbaterías antes de tener que ser recargadas es bastante alto.

En la parte electrónica del vehículo nos encontramos con dos elementos que tie-nen regulador de tensión. Estos dos elementos pueden conectarse directamente a labatería de 7.4 V ya que ellos mismos obtienen los 5 V de alimentación a partir de latensión de la batería. Esos elementos son la unidad de medidas inerciales y la placamicrocontroladora. Ésta última permite suministrar alimentación para otros disposi-tivos con su voltaje regulado a 5 V con lo que nos permitirá alimentar el adaptador decomunicaciones que no tiene regulador propio.

Se ha adquirido un cargador específico para baterías de tipo Li-Po ya que las carac-terísticas de éstas hacen que sea necesario un mantenimiento cuidado para no acortarsu ciclo de vida.

2.6. Sistema de Control

El control de todo el vehículo debe ser realizado por un sistema de control integra-do en el mismo. Para ello se ha decidido utilizar un sistema basado en microcontrola-dor que sea capaz de, por un lado calcular la ley de control que se va a aplicar parala estabilización del péndulo, y por otro lado dirigir el funcionamiento de todos loselementos que componen el vehículo gestionando.

Para seleccionar el sistema microcontrolador se tendrán en cuenta la velocidad deprocesado, la disponibilidad de entradas y salidas tanto analógicas como digitales ylos puertos de comunicación implementados.

El sistema elegido es el kit de desarrollo o placa microcontroladora MAVRIC-IIBdel fabricante BDMICRO. Se trata de una placa de desarrollo basada en el microcon-trolador ATmega128 de Atmel, con adaptación de entradas y salidas.

El Atmega128 pertenece a la familia de microcontroladores AVR de 8 bit con arqui-tectura computacional RISC (del inglés Reduced Instruction Set Computer). Esta CPUutiliza arquitectura Harvard. Algunas de sus principales características se enumerana continuación:

128 KBytes de memoria Flash para programa.

4 KBytes de EEPROM. 19


4 KBytes de SRAM estática interna.

Interfaces de programación ISP.

Interfaz JTAG para programación y depuración.

2 contadores / timers de 8 bits y 2 de 16 bits.

Contador de tiempo real.

2 canales PWM de 8 bits y 6 canales con resolución programables de 2 a 16 bits.

8 canales con conversor analógico-digital de 10 bits.

Interfaz de comunicaciones serie I2C.

2 USART serie duales.

Hasta 53 líneas de entrada / salida programables.

Watchdog timer.

Selección de la frecuencia del reloj a través de software.

Alimentación de 4.5 V a 5.5 V.

Reloj programable de 0 a 16 MHz.

Hasta 16 MIPS.

La placa MAVRIC-IIB se presenta en la Fig. 2.15.

Una de las principales ventajas de usar un kit de desarrollo es que se encuentralisto para usar, es decir, incorpora su propio circuito de alimentación, convertidor deniveles para poder usar los puertos series con las tensiones del estándar RS232 o bienniveles TTL, acceso a los puertos del microcontrolador, incorporación de resistenciasde pull-up para los puertos que puedan necesitarlas e incluso refuerzo de alimenta-ción para las señales PWM.

La placa incorpora conectores estándar para los interfaces de programación faci-litando la tarea al poder realizarse directamente sobre la placa. Incorpora un conec-tor serie ISP de 10 pines que permite la conexión de programadores usuales como elAVRISP o el STK500. También cuenta con un conector JTAG estándar para programa-ción y depuración paso a paso a nivel de código.

Los puertos de entrada / salida tienen adaptados conectores con tornillos que per-miten la conexión sencilla de cualquier cable. Gracias al regulador de tensión de la20

2.7. PROGRAMADOR PARA EL SISTEMA MICROCONTROLADOR

Figura 2.15: Placa MAVRIC-IIB basada en ATmega128.

placa, también se dispone de conectores que suministran los niveles de alimentaciónde GND y 5 V.

El reducido tamaño de la placa permite su fácil colocación en la estructura delvehículo.

Puede consultarse más información sobre el microcontrolador ATmega128 en [3],y sobre la placa MAVRIC-IIB en [4].

2.7. Programador para el sistema microcontrolador

Una vez compilados los programas creados para el microcontrolador, se usará unprogramador específico para la familia AVR de Atmel. El programador escogido pa-ra nuestro sistema es el AVRISP-mkII. Se trata de un programador compatible con elSTK500 muy común también para los controladores de la familia AVR. El AVRISP-mkII es un programador que se conecta a la placa del microcontrolador a través delpuerto ISP. La conexión al PC se realiza mediante puerto USB lo que lo hace muy21


cómodo de usar. La ventaja de ser un programador ISP reside en que permite progra-mar el microcontrolador conectado directamente en el montaje del propio vehículo.La transferencia del programa, una vez configurado el programador, se realiza en va-rios segundos y el microcontrolador estará disponible para su uso con solo reiniciar laalimentación.

El programador AVRISP-mkII utilizado se muesgtra en la Fig. 2.16.

Figura 2.16: Programador AVRISP-mkII y accesorios.

El estándar para el puerto de programación ISP incluye dos posibilidades en fun-ción del tipo de conector usado, es decir, existe una versión del conector ISP de 6 pinesy otra versión de 10 pines.

El programador AVRISP-mkII está dotado de un conector de 6 pines mientras queen la placa microcontroladora se ha montado un bloque de 10 pines para el conec-tor ISP. Para poder programar el microcontrolador con este programador es necesarioadaptar las señales de un tipo de conector a otro. En la Fig. 2.17 se muestra la asigna-ción de las señales a los pines de cada tipo de conector.

La adaptación, tal y como se ha visto en la Fig. 2.17, se puede realizar simplemen-te cambiando la distribución de pines mediante rutado en una placa. El adaptadorrealizado para nuestro montaje se presenta en la Fig. 2.18.22

2.8. UNIDAD DE MEDIDAS INERCIALES

Figura 2.17: Distribución de pines en las dos configuraciones de ISP.

Figura 2.18: Adaptador ISP de 6-pines a 10-pines.

2.8. Unidad de Medidas Inerciales

El objetivo principal en el control del vehículo es la estabilización de su posiciónangular en la vertical superior. Para poder garantizar una inclinación del vehículo esnecesario conocer la inclinación en cada instante. Por ello, en la instrumentación delvehículo será imprescindible la inclusión de sensores de inclinación.

La práctica habitual para medir la inclinación se basa en la utilización de acele-rómetros y giróscopos. Mediante la integración de la información proporcionada porestos sensores se ha de procesar la medida de la inclinación de los ejes de rotacióndel vehículo. En el procesado de esa información intervienen procesos de filtrado yadaptación de señales. Todos estos procesos tienen un alto coste computacional e im-plicarían una carga elevada al microcontrolador principal en caso de realizarse todosen el mismo.

La utilización de sensores a bajo nivel implica también la necesidad de adaptarla electrónica para su utilización en el vehículo y por tanto un tiempo de desarrolloelevado.

Por estosmotivos, se ha decidido utilizar una Unidad deMedidas Inerciales (IMU).Se trata de un dispositivo que integra varios sensores de aceleración y orientación, to-23


ma la información de éstos y la procesa de manera conjunta para generar la informa-ción referente a inclinación y orientación de la unidad y, por tanto, del sistema al quese acople.

La IMU seleccionada para la construcción del vehículo autobalanceado es el mo-delo 3DM-GX1 de MicroStrain. Los criterios en los que se ha basado la elección son lafrecuencia de muestreo (de disponibilidad de datos de salida digitales), el tipo de me-dida suministrada, la posibilidad de generar salida de información tanto digital comoanalógica, el reducido tamaño y la disponibilidad de suministro.

El propio fabricante denomina a la unidad 3DM-GX1 como Sensor de OrientaciónGiro-Estabilizado. Se trata de una IMU que combina tres giróscopos con tres aceleróme-tros DC ortogonales, tres magnetómetros ortogonales, multiplexores, conversor A/Dde 16 bits y un microcontrolador embebido para generar como salida su orientaciónen entornos tanto dinámicos como estáticos.

La IMU utilizada proporcionará una cobertura de 360 grados para el movimien-to del vehículo gracias a sus tres ejes de operación. Se podrá conocer la orientaciónde cada uno de los ejes en formato de Euler (entre otros formatos proporcionados) apartir de medidas estabilizadas, con compensación de temperatura y posibilidad decalibración en el entorno de trabajo.

Para nuestro montaje se va a utilizar una opción ofrecida por el fabricante quepermite generar la salida de información de los tres eje en formato analógico para suconexión con la placa microcontroladora.

El formato en que se presenta la IMU es de pequeño tamaño y ligero de peso y estáprotegida por una carcasa de material plástico, como puede verse en la Fig. 2.19.

Otras de las características que destacan de la unidad se presentan a continuación:

Bajo consumo: 65 mA, 5.2 V.

Resolución en orientación: <0.1o.

Precisión: 0.5o en condiciones estáticas, 2.0o en condiciones dinámicas.

Salida digital serie RS-232.

Salida analógica de 4 canales, 0-5 V programable.

Tasa digital de salida: 100 Hz.

Las especificaciones detalladas de la IMU 3DM-GX1 se adjuntan en el Apéndice E.24

2.9. ELEMENTOS DE COMUNICACIONES

Figura 2.19: Unidad de Medidas Inerciales 3DM-GX1.

2.9. Elementos de comunicaciones

Se va a dotar al vehículo de un dispositivo de comunicaciones que permita co-nectar el microcontrolador con un PC externo. Este enlace con el PC nos permitiráintercambiar información y datos de diversos tipos. Por ejemplo se puede capturardatos tomados durante el experimento, configurar los valores de los controladores oincluso realizar teleoperación del vehículo.

Para establecer el enlace y teniendo en cuenta la necesidad de libertad de movi-miento no se podrá hacer uso de cables. Por ello se ha utilizado una comunicaciónbasada en bluetooth. Se han escogido dispositivos bluetoth por tratarse de un pro-tocolo bastante extendido, de bajo consumo y basado en transceptores de bajo coste.Con él se podrá establecer una conexión segura y a una frecuencia libre (2.4 GHz).

El dispositivo seleccionado es un adaptador RS-232 - Bluetooth modelo LM058 deLM Technologies. Permite alcanzar tasas de hasta 3 Mbps, con una tasa bit configu-rable. Pertenece al grupo de dispositivos de clase 1, es decir, de 100 m de alcance. Semuestra en la Fig. 2.20.

La comunicación con el microcontrolador se hace a través de un conector D-SUBde 9 pines para puerto serie. La alimentación se proporciona a través de un conectormini USB.

Se utilizarán 2 adaptadores bluetooth - serie. Estos adaptadores se conectan al25


Figura 2.20: Adaptador RS232 - Bluetooth LM05 de LM Technologies.

puerto serie en ambos extremos de la comunicación (placa microcontroladora y PC) ypodrán verse, a nivel de programación, como un puerto serie a todos los efectos.

Ambos adaptadores podrán configurarse para que se conecten el uno al otro demanera automática al entrar en funcionamiento y se establecerá una comunicaciónsegura entre los dos. Para ello cada adaptador tiene una dirección física única quepermite diferenciarlo de cualquier otro dispositivo.

Estos adaptadores pueden configurarse mediante conexión a un PC. Todos los da-tos de configuración se guardan en la memoria interna del dispositivo de forma queuna vez configurado se puede utilizar como enlace inalámbrico de manera totalmentetransparente a la comunicación.

Este modelo de adaptador permite trabajar como equipo terminal de datos (DTE)o como equipo de comunicación (DCE) lo cual permite que se pueda usar el mismoequipo tanto en el PC como en la placa microcontroladora con sólo configurar unconmutador físico incorporado.

El LM058 se alimenta a 5 V y tiene un consumo máximo de 90 mA.

2.10. Otros elementos auxiliares

En el montaje del vehículo se han utilizado otros materiales y elementos auxiliaresque a continuación se describirán brevemente.26

2.10. OTROS ELEMENTOS AUXILIARES

Para la protección de la electrónica del sistema, tanto los circuitos como las bateríasse han colocado en cajas fabricadas en ABS. Con estas cajas se protegerá su contenidofrente a golpes y frente al contacto con elementos conductores que pudiesen producircortocircuitos. Gracias al sistema de tornillos que se comentó en el apartado de laestructura, las cajas podrán fijarse fácilmente a lamisma permitiendo además distintasconfiguraciones en función del punto de la estructura donde se coloquen.

Las placas con la electrónica se han colocado dentro de las cajas fijándose a ellasmediante tornillos y separadores. Las cajas han sido dotadas de conectores externosde manera que se puedan desmontar del vehículo de forma fácil e independiente. Lasplacas se conectarán a los conectores de las cajas mediante cableado interno y a modoexterno se ha preparado el cableado necesario para conectar los distintos dispositivosentre cajas que puede desmontarse fácilmente.

Se han colocado conmutadores de dos posiciones a la entrada de alimentación delos circuitos principales. De esta forma se puede desconectar la alimentación de laelectrónica sin necesidad de desconectar los cables de las baterías.

La colocación de las placas de la electrónica en las cajas, con los accesorios necesa-rios se muestra en las Fig. 2.21 y 2.22.

Figura 2.21: Caja protectora del sistema principal.

La colocación de la IMU en el vehículo es determinante para la correcta mediciónde la orientación del vehículo. Debido a su forma, para colocarla con la orientación ne-cesaria se ha utilizado una plataforma de sujeción para poder anclarla correctamente27


Figura 2.22: Caja protectora del sistema de control de motores.

y protegerla de golpes. En el proceso de pruebas del sistema se ha detectado que losmateriales plásticos pueden introducir vibración en la medida, mientras que el acero yotros materiales magnéticos producen fuertes interferencias. Por todo ello, se ha fabri-cado una plataforma de aluminio para la colocación correcta de la IMU. En la Fig. 2.19se ve la colocación de la IMU sobre la plataforma de aluminio.

Otro elemento de protección incluido en el vehículo es un sistema de amortigua-ción para evitar golpes en las caídas del vehículo. El sistema está formado por dospiezas, una en cada una de las posibles direcciones de caída. Cada pieza se componede una plataforma sobre la cual se ha colocado la horquilla de amortiguación del trende aterrizaje delantero de un avión de aeromodelismo con una rueda de neopreno.La plataforma puede fijarse a lo largo de toda la altura del péndulo, lo que permitecambiar la distribución de masas del mismo. El sistema es el que se presenta en laFig. 2.23.

Para activar y desactivar el control de modo fácil se ha colocado un pulsador man-tenido en la parte superior del vehículo que, a su vez, está provisto de un led de colorazul. Conectando el pulsador y el led respectivamente a una entrada y a una salidadigital del sistema de control, se pueden utilizar por el usuario para interactuar con elvehículo mediante una correcta programación previa. Por ejemplo, el uso básico quese le dará será el activar o desactivar el control en función a la posición del pulsador yla iluminación del led dependiendo de ese estado del controlador.28

2.11. INTEGRACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL VEHÍCULO

Figura 2.23: Sistema de protección para las caídas.

2.11. Integración de los componentes del vehículo

El montaje del vehículo puede dividirse en varias fases bien diferenciadas. La pri-mera de esas fases sería el montaje de la estructura del vehículo. En una segunda fasese prepararía toda la electrónica necesaria y el conexionado entre las distintas partes.En esta fase es aconsejable la realización de pruebas previas de los componentes antesde sus colocación en el vehículo. Una vez preparada la electrónica puede colocarse enla estructura y para ello es necesario preparar una serie de elementos accesorios comocajas, fijaciones, etc. Una vez montados todos los elementos esenciales se completaráel vehículo con elementos auxiliares y de seguridad. Finalmente, con el montaje com-pleto y la programación de los sistemas electrónicos en paralelo al proceso de montaje,se puede someter al equipo a pruebas de funcionamiento de todo el sistema.

El montaje que se va a describir se corresponde a la primera versión del vehículo.El montaje con la segunda versión de los motores y su control a bajo nivel se estárealizando en el momento de redacción de este documento como parte de un proyectofin de carrera.

2.11.1. Montaje de la estructura

Tal y como se ha mencionado anteriormente, la estructura se ha realizado a partirde un perfil de aluminio extruido. El fabricante suministra este tipo de perfil en una29


pieza de 6 m. De esa pieza se han cortado 2 fragmentos de 40 y 60 cm que formarán labase horizontal y el péndulo respectivamente. Ambas piezas se unirán para formar laestructura usando piezas de sujeción específicas para este tipo de perfil (ver Figs. 2.2y 2.3).

Como ya se comentó al presentar los motores, a la estructura de aluminio se fijanmediante tornillos dos piezas con pliegue de 90o donde se fijan a su vez los motores(ver Fig. 2.6).

2.11.2. Integración y conexionado del hardware

Una vez construida la estructura se le podrá incorporar el hardware necesario parael funcionamiento del vehículo. Dicho hardware estará compuesto por el sistema decontrol que actúa sobre los motores a través del subsistema de control de los mismos.Para el cálculo del control el sistema se basa en los datos de orientación aportados porla IMU y en los datos recibidos a través de la interfaz con el usuario y la interfaz con elPC. El sistema de alimentación proporciona la energía necesaria a todos los sistemas.En la Fig. 2.24 se muestra un diagrama del hardware de a bordo y su interacción.

Figura 2.24: Esquema de interacción del hardware del vehículo.

El elemento central será la placa microcontroladora desde la cual se dirigirá todoel funcionamiento del vehículo. Por ello, el resto de elementos deberá estar conectadoa ella directa o indirectamente. En la Fig. 2.25 se pueden apreciar algunos detalles delcableador a la placa principal.30


Figura 2.25: Detalle del cableado del sistema principal.

A continuación se enumeran todas las conexiones realizadas en la placa del sistemade control y posteriormente se describirá la función de cada una de ellas.

Puerto V+in: Polo positivo de la batería.

Puerto GND: Polo negativo de la batería.

Puerto A4: Señal de reloj I2C.

Puerto A5: Señal de datos I2C.

Puerto A0: Pulsador mantenido externo.

Puerto B2: Indicador luminoso del pulsador externo.

Puerto F0: Eje X de la IMU.

Puerto F1: Eje Y de la IMU.

Puerto F2: Eje Z de la IMU.

Puerto TX1: Señal de transmisión en el adaptador RS232-Bluetooth.

Puerto RX1: Señal de recepción en el adaptador RS232-Bluetooth. 31


La alimentación de la batería se suministra en paralelo a la placa y a la IMU. Antesde su conexión al puerto de alimentación de la placa microcontroladora se ha conec-tado un conmutador de palanca utilizándose a modo de interruptor para el micro-controlador. La placa MAVRIC-IIB presenta una serie de conexiones a la tensión de5 V y a tierra para dar alimentación a dispositivos de bajo consumo. Nos serviremosde estas conexiones, que se encuentran repartidas por toda la placa, para alimentar eladaptador RS232-Bluetooth y el pulsador iluminado.

La comunicación entre el sistema principal y el control a bajo nivel de los motoresse realiza mediante bus de comunicación serie I2C. Tras la fase de pruebas se detec-taron problemas en la comunicación I2C basada en el hardware de la placa, por ellose ha utilizado el puerto genérico A para establecer la comunicación guiada mediantesoftware. Se van a utilizar los pines 4 y 5 del puerto A, que puede configurarse tantode entrada como de salida.

La comunicación I2C se realiza, desde el punto de vista del sistema de control,mediante 3 hilos conectados a los puertos A4 (señal CLK), A5 (señal DATA) y a latierra del sistema (GND). Desde el extremo de la controladora de losmotores (control abajo nivel) la conexión se realizará a los respectivos pines específicos para esas señalesde uno de los puertos disponibles. La controladora presenta 4 puertos de conexiónfísicamente conectados a las mismas señales ya que al tratarse de un bus se podríaconectar a varios dispositivos.

La controladora de motores se alimenta a un voltaje distinto del sistema principalpor lo que se usa una batería específica para ella. La alimentación se conecta a travésde un interruptor de palanca. La placa de esta controladora ofrece varias conexionesde alimentación regulada a 5 V para circuitos auxiliares que en este caso no se van ausar.

La conexión entre la controladora y los motores se realiza a través de dos puertosespecíficos. La conexión de cada motor a un canal distinto de la controladora hará quese defina cuál es cada uno de los motores con respecto al sentido de giro.

La lectura de los datos de inclinación u orientación medidos por la IMU se tomaránen el sistema principal a través de una señal analógica. La placa microcontroladoratiene únicamente dos puertos RS232 que en principio han sido reservados, uno parael adaptador RS232-Bluetooth y el otro para un posible cambio de la controladorade motores por otra con comunicación a través de puerto serie. Por este motivo seseleccionó una IMU con opción de salida analógica y es ésta la que se está usando.

El valor de giro de cada uno de los ejes se lee calcula en la IMU e internamente segenera una salida proporcional entre 0 y 5V a través de un conversor D/A con unaresolución de 12 bits. En la placa microcontroladora se utilizan tres pines del puerto32


F configurados como entrada, que están dotadas de conversor D/A. De esta formatendremos el valor de giro del eje X de la IMU a través del puerto F0, del eje Y a travésdel puerto F1 y del eje Z a través del puerto F2.

La alimentación de la IMU se realiza directamente desde la misma batería que elsistema principal pero sin pasar a través de éste.

La comunicación de datos hacia el PC se realiza a través del adaptador RS232-Bluetooth. Desde el punto de vista de la placa microcontroladora se trata de un puertoserie genérico y por ello se conecta como tal. Las señales Tx y Rx del adaptador seconectarán respectivamente a las señales Tx1 y Rx1 de la placa gracias a la configura-ción del adaptador como DTE. La alimentación del adaptador se realiza a través de lospines de alimentación proporcionados por la placa en el mismo conector destinado alpuerto serie.

Finalmente, se ha incluido un pulsador iluminado para que el usuario pueda in-teraccionar con el vehículo. Su utilidad depende de la programación que se realice delmimo. En nuestro caso se utilizará para detener o activar el control con la pulsacióny comprobar el estado a través de la iluminación del mismo. El pulsador es del tiposwitch on-off o de estado mantenido y se conecta como entrada digital del sistema enel pin 0 del puerto A de la placa. El led que ilumina al pulsador se conecta al pin 2 delpuerto digital B de la placa, configurado como salida.

Una vez definido en conexionado del hardware se procede al montaje del mismoen el vehículo. Como se ha dicho anteriormente, las placas de la electrónica se hanintroducido en cajas que la protegen. Se han utilizado dos cajas, una para la placa delsistema principal y la otra para el sistema de control a bajo nivel de los motores. Enambos casos, la electrónica se va a colocar de manera que se pueda montar y extraerlas placas manteniendo la caja en el vehículo. Para ello se van a utilizar conectoresen la caja a los que se conectarán las placas de forma interna y el cableado externo através de conectores compatibles. Las placas se colocarán sobre separadores de formaque sean fácilmente montadas y desmontadas mediante tornillos de sujeción.

En la caja del sistema principal se han colocado dos conectores tipo DB9 (macho yhembra para evitar errores de conexión). El primero de ellos es un conector macho enel que se van a reunir las conexiones internas de la placa para comunicación serie. Enél se ha conectado la alimentación del adaptador RS232-Bluetooth y las señales de Txy Rx. El segundo es un conector hembra en el que han sido agrupadas las conexionespara la IMU y la controladora de los motores. Del conector externo que se conecte aeste último de la caja, saldrán tres cables con sus propios conectores para controladorade motores, alimentación de la IMU y señal de la IMU.

En la caja de la controladora de motores se ha colocado un conector DB9 hembra33


para la conexión con la caja del sistema principal. En cambio, el tipo de conector quepresentan los motores está pensado para su colocación en placa y no pueden colocarsedirectamente en la caja. Por ello, se ha optado por abrir un orificio por el que pasar loscables y colocar una placa interior fijada a la caja donde colocar conectores para losmotores. La placa controladora se conectará a esta segunda a través de conectoresinternos siendo fácilmente desmontable, como se puede ver en la Fig. 2.22.

Cada una de las dos cajas de la electrónica cuenta con dos cables para la alimen-tación que salen de ellas a través de un pequeño orificio. Estos cables disponen deconectores específicos para las baterías. Las baterías a su vez se encuentran dentro deuna tercera caja de la que salen los cables a través de orificios.

Las cajas se han montado en la estructura utilizando el sistema de fijación descritoen el apartado dedicado a la estructura.

La IMU tiene su propia carcasa por lo que no es necesario introducirla en cajasprotectoras. Para hacer que los ejes de orientación de la IMU coincidan con los delvehículo su colocación en el mismo ha de ser sobre una de las cajas de la electrónica.Su sistema de anclaje hace que no se pueda sujetar directamente a la caja por lo quese ha preparado una plataforma de aluminio sobre la que fijarla, que a su vez estáfijada sobre la caja. El conexionado de la IMU se realiza mediante conectores LEMOFGG-00-304.

Un último elemento auxiliar se ha agregado al vehículo para la protección de to-dos los componentes, es un sistema de amortiguación para los golpes que se puedanproducir en las caídas. Se han probado dos versiones del sistema de amortiguación.El primero estaba basado en dos ruedas de neopreno montadas sobre ejes colocados aambos lados del péndulo en la dirección de las posibles caídas. El eje estaba colocadosobre piezas fijadas a la estructura, lo cual hacía que el nivel de amortiguamiento nofuese suficiente. En una segunda versión, la sujeción como pieza fija se ha cambiadopor trenes de aterrizaje de aviones de aeromodelismo, compuestos por una horquillametálica provista de un muelle. De esta forma la amortiguación es considerablementemayor.

Este sistema de amortiguación se ha montado sobre plataformas que podrán ajus-tar su posición a lo largo del péndulo y permitirán cambiar la configuración de pesosdel vehículo.

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