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UNIVERSIDAD NACIONAL DE
CHIMBORAZO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
SISTEMAS DIGITALES Y LABORATORIO
Fausto Chávez
Héctor Cajilema
hector55Qhotmail.es
Jesica Quillay
Tema: Diseño E Implementación De Un
Robot Multifuncional Mediante El Hardware
VHDL.
Resumen—En este informe muestra el diseño
e implementación de un robot móvil
multifuncional: Seguidor de línea, seguidor de
luz y evasor de obstáculos, producto del
desarrollo de la práctica de laboratorio
correspondiente a la asignatura de Sistemas
Digitales, abordando los conceptos de
Lenguaje de Descripción de VHDL.
El dispositivo lógico programable utilizado
para el control del robot móvil fue la FPGA
ESPARTAN 6.
El sensor QRD1114 fue utilizado para la
detección de línea, un par de fotoceldas como
sistema para detección de luz y para detección
de obstáculos unos interruptores tipo bumper.
Palabras Claves—Arreglos lógicos
programables, Lenguaje de Descripción de
Hardware VHDL, Lógica Combinaciones,
Robótica móvil, Seguidor de Línea, Seguidor
de Luz.
I. INTRODUCCIÓN
La robótica es un área que actualmente está
siendo utilizada en un sin número de
aplicaciones industriales, domésticas y
educativas, trabajar con robots exige un
conocimiento multidisciplinar de la
electrónica, la informática y hasta la
mecánica. Conocimiento de sensores,
comunicaciones, motores e incluso
inteligencia artificial hace de esta disciplina
un excelente elemento formativo para
estudiantes y profesionales, colocando en
práctica los conocimientos en cada una de las
temáticas anteriormente mencionadas, además
de generar el deseo y la motivación de querer
aprender nuevas técnicas y métodos que
hagan del robot un sistema más autónomo e
inteligente.
A. OBJETIVO GENERAL
Diseño E Implementación De Un
Robot Multifuncional Mediante
Lenguaje VHDL y en el Hardware
FPGA Espartan 6 Zula 2.
B. OBJETIVOS ESPECIFICOS.
Identificar y aprender la importancia
del desarrollo de aplicaciones basadas
en circuitos digitales programables
FPGA.
Aplicar todo lo aprendido en lenguaje
VHDL y en la FPGA Espartan 6.
Realizar la programación del robot
mediante VHDL.
Probar y quemar en la tarjeta FPGA
Espartan 6.
Implementar el robot multifuncional.
II. MARCO TEORICO
Seguidor De Línea
Estos robots pueden variar desde los más
básicos (van tras una línea única) hasta los
robots que recorren laberintos. Todos ellos,
sin embargo, poseen (por lo general) ciertas
partes básicas comunes entre todos:
Sensores: Un rastreador detecta la línea a
seguir por medio de sensores. Hay muchos
tipos de sensores que se pueden usar para este
fin; sin embargo, por razones de costos y
practicidad los más comunes son los sensores
infrarrojos (IR), que normalmente constan de
un LED infrarrojo y un fototransistor.
Motores: El robot se mueve utilizando
motores. Dependiendo del tamaño, el peso, la
precisión del motor, entre otros factores, éstos
pueden ser de varias clases: motores de
corriente continua, motor paso a
paso o servomotores.
Ruedas: Las ruedas del robot son movidas por
los motores. Normalmente se usan ruedas de
materiales anti-deslizantes para evitar fallas
de tracción. Su tamaño es otro factor a tener
en cuenta a la hora de armar el robot.
Fuente de energía: El robot obtiene la energía
que necesita para su funcionamiento de
baterías o de una fuente de corriente alterna,
siendo esta última menos utilizada debido a
que le resta independencia al robot.
Seguidor De Luz
Su tarea es encontrar un punto de luz dentro
de un ángulo de detección de las Foto-
resistencias y dirigirse lo más rápido posible
hacia tal fuente de luz.
Xilinx Ise
Xilinx ISE (Entorno de Software Integrado)
es una herramienta de software producido por
Xilinx para la síntesis y el análisis de los
diseños de HDL, lo que permite al
desarrollador para sintetizar ("compilación")
sus diseños, realizar análisis de tiempo,
examinar diagramas RTL, simular la reacción
de un diseño a diferentes estímulos, y
configurar el dispositivo de destino con el
programador.
III. ALGORITMO PROPUESTO PARA EL
CONTROL DEL ROBOT MÓVIL
IV. METODOLOGIA
La función a realizar por el robot está
determinada por el estado de las entradas de
selección (SEL0 y SEL1).
Para la función de seguimiento de línea se
utilizaron un par de sensores (SL0 y SL1),
para el seguimiento de luz se utilizaron un par
de fotoceldas (SLuz0 y SLuz1) y para la
función de evasión de obstáculos un par de
interruptores (SObs0 y SObs1).
En la lógica combinacional entra la
programación en VHDL para cumplir cada
función y la movilidad del robot está
determinada por el accionamiento conjunto de
dos motores DC controlados por medio de un
puente H integrado.
V. PROCEDIMIENTO
Diseño Del Algoritmo Controlador Del
Robot Móvil Multifuncional
La tabla I muestra la asignación de funciones
a realizar por el robot móvil, según los
estados de las líneas de selección.
Tabla I. Asignación de funciones para robot
móvil.
SEL 1 SEL2 FUNCION
0 0 SEGUIDOR DE
LINEA
0 1 SEGUIDOR DE
LUZ
1 0 EVASOR DE
OSTACULOS
1 1 PARAR
A. Seguidor de Línea
La función de seguidor de línea solo tendrá en
cuenta los estados lógicos digitales entregados
por los sensores ópticos dispuestos para tal
fin. El acondicionamiento electrónico
realizado a cada sensor óptico para que
entregue dichos estados digitales, se muestra
en la Fig. 2.
Fig. 3. Acondicionamiento de sensores
ópticos.
El voltaje de calibración Vcal se ajusta para
mejorar la sensibilidad de acuerdo a las
condiciones de luminosidad de la pista de
prueba. La lógica utilizada para la activación
de los motores para la función de seguimiento
de línea se muestra en la Tabla II.
Tabla II. Lógica de control de motores para
seguidor de línea
Los estados de MOTOR1 y MOTOR2
corresponden a los estados que adoptaran las
líneas de entrada al integrado L293B,
Control0, Control1, Control2 y Control3
respectivamente (Ver Fig. 2). Si ambos
sensores detectan color negro (SL0=0 y
SL1=0) el robot debe avanzar, si se detecta
color blanco por la derecha (SL1=0 y SL0=1)
el robot debe girar a la izquierda, si se detecta
color blanco por la izquierda (SL1=1 y
SL0=0) el robot debe girar a la derecha, y si
ambos sensores detectan color blanco (SL1=1
y SL0=1) el robot debe retroceder.
A. Seguidor de Luz
La función de seguidor de luz solo tendrá en
cuenta los estados lógicos digitales entregados
por las fotoceldas dispuestas para tal fin. El
acondicionamiento electrónico realizado a
cada fotocelda para que entregue dichos
estados digitales, se muestra en la Fig. 4.\
Fig. 4. Acondicionamiento de sensores de
luminosidad.
La lógica utilizada para la activación de los
motores para la función de seguimiento de luz
se muestra en la Tabla III.
Entonces, si ambos sensores de luminosidad
detectan luz (SLuz1=1 y SLuz0=1) el robot
debe avanzar hacia adelante, si se detecta luz
por la derecha (SLuz1=0 y SLuz0=1) el robot
debe avanzar girando a la derecha, si se
detecta luz por la izquierda (SLuz1=1 y
Sluz0=0) el robot debe avanzar girando a la
izquierda, y por último, si no se detecta
luminosidad (SLuz1=0 y SLuz0=0) el robot
debe parar.
A. Evasor de Obstáculos
La función de evasión de obstáculos solo
tendrá en cuenta los estados lógicos digitales
entregados por los interruptores tipo bumper
dispuestos para tal fin. El acondicionamiento
electrónico realizado a cada bumper para que
entregue dichos estados digitales, se muestra
en la Fig. 5.
La lógica utilizada para la activación de los
motores para la función de evasión de
obstáculos se muestra en la Tabla IV.
Tabla IV. Lógica de control de motores para
evasión de obstáculos.
Si los bumpers no detectan obstáculo
(SObs1=1 y SObs0=1) el robot debe avanzar,
si se detecta obstáculo por la derecha
(SObs1=0 y SObs0=1) el robot debe girar a la
izquierda, si se detecta obstáculo por la
izquierda (SObs1=1 y SObs0=0) el robot debe
girar a la derecha, y por último, si se detecta
obstáculo frontal (SObs1=0 y SObs0=0) el
robot debe retroceder.
VI. SIMULACION PROTEUS
VII. PROGRAMACION
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
--Uncomment the following library
declaration if using
-- arithmetic functions with Signed or
Unsigned values
--use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
-- Uncomment the following library
declaration if instantiating
-- any Xilinx primitives in this code.
--library UNISIM;
--use UNISIM.VComponents.all;
Entity ROBOT is
port(
SEL: in std_logic_vector (1 downto 0);
S_LINEA: in std_logic_vector (1 downto 0);
S_LUZ: in std_logic_vector (1 downto 0);
S_OBST: in std_logic_vector (1 downto 0);
CONTROL: out std_logic_vector (3 downto
0));
end ROBOT;
architecture BEHAVIORAL of ROBOT is
begin
process(SEL, S_LINEA, S_LUZ, S_OBST)
begin
--SEGUIDOR DE LINE
if SEL="00" then
if S_LINEA="00" then
CONTROL<="1010"; --retrocede
elsif S_LINEA="01" then
CONTROL<="0110"; --derecha
elsif S_LINEA="10" then
CONTROL<="1001"; --izquierda
else
CONTROL<="0101"; --adelante
end if;
end if;
--SEGUIDOR DE LUZ
if SEL="01" then
if S_LUZ ="00" then
CONTROL<="1111"; --adelante
elsif S_LUZ ="01" then
CONTROL<="0110"; --izquierda
elsif S_LUZ ="10" then
CONTROL<="1001"; --derecha
else
CONTROL<="0101"; --parar
end if;
end if;
--EVASOR DE OBSTACULOS
if SEL="10" then
if S_OBST="00" then
CONTROL<="0101"; --retrocede
elsif S_OBST="01" then
CONTROL<="1001"; --derecha
elsif S_OBST="10" then
CONTROL<="0110"; --izquierda
else
CONTROL<="1010"; --adelante
end if;
end if;
--OTRO CASO
if SEL="11" then
CONTROL<="1111"; --parar
end if;
end process;
end BEHAVIORAL;
VIII. ESQUEMATICOS
IX. ASIGNACION DE PINES
NET SEL(0) LOC =B15;
NET SEL(1) LOC =B16;
NET S_LINEA(0) LOC =C15;
NET S_LINEA(1) LOC =C16;
NET S_LUZ(0) LOC =F16;
NET S_LUZ(1) LOC =F15;
NET S_OBST(0) LOC =J14;
NET S_OBST(1) LOC =J16;
NET CONTROL(0) LOC =K16;
NET CONTROL(1) LOC =K15;
NET CONTROL(2) LOC =M16;
NET CONTROL(3) LOC =M15;
X. QUEMADA DE LA TARJETA
CARGAMOS .BIT
XI. CONCLUSIONES
Se logró aplicar los conocimientos
adquiridos en el periodo académico,
tanto en lo que se obtuvo
conocimiento de la programación de
lenguaje VHDL como en la tarjeta
FPGA Espartan 6.
El desarrollo de aplicaciones basadas
en dispositivos programables, permite
generar aplicaciones de manera mas
rápida y eficiente, puesto que el diseño
es mas orientado al algoritmo
desarrollado a nivel de software, y los
inconvenientes de implementación y
cableado pasan a ser problemas menos
tediosos y difíciles de corregir.
Para el desarrollo del circuito
combinacional controlador del robot
móvil, es importante identificar las
entradas y salidas del sistema, así
como el funcionamiento general del
mismo, puesto que el lenguaje de
descripción de hardware VHDL
XII. RECOMENDACIONES
Se recomienda declarar muy bien los
comandos así como también puntos y
comas para que funcione
correctamente el programa.
Se debe asignar correctamente los
pines con los pines de la tarje.
Es muy importante no sobrepasar el
voltaje de 5V tanto para la
alimentación así como también
entradas y salidas caso contrario
quemaríamos la tarjeta.
XIII. REFERENCIAS
J. Angulo, Introducción a la Robótica:
Principios teóricos, construcción
y programación de un robot educativo,
Ed. Thomson, 2005, pp 75.
[2] E. Palacios, Microcontrolador
PIC16F84 Desarrollo de Proyectos:
Sensores para Microrobótica, segunda
edición, Ed. AlfaOmega, 2006,
pp. 515-527.
[3] ATF16V8B DataSheet, Lattice
Semiconductor, disponible en internet:
http://www.datasheetcatalog.org/datas
heets/320/91363_DS.pdf.
[4] C. Roth Jr, Fundamentos de diseño
logico: Descripción VHDL de
Circuitos Combinacionales, Ed.
Thomson, 2005, pp. 239-244.
[5] J. Wakerly, Diseño Digital
Principios y Practicas: Principios de
diseño
logico-combinacional, Ed. Prentice
Hall, 2001, pp. 193-298.
[6] F. Pardo, VHDL Lenguaje para
Síntesis y Modelado de Circuitos:
Descripción Comportamental
Algorítmica, Ed. Alfaomega, 2004,
pp.
69-82..
[7] J. Garza, Sistemas Digitales y
Electrónica Digital Practicas de
Laboratorio: Captura Esquemática
ISPLever Starter, Ed. Prentice Hall,
2006, pp. 29-46.
Ruge, Ilber A. Ingeniero Electrónico
egresado de la Universidad
Pedagógica
y Tecnológica de Colombia sede
Sogamoso Boyacá en el año 2005,
Magister
en Ingeniería de Control Industrial
egresado de la Universidad de Ibagué
Tolima en el año 2011. Actualmente
se desempeña como docente en la
Universidad de Cundinamarca en el
Programa de Ingeniería Electrónica.
Miembro del grupo de Investigación
GITEINCO clase D ColCiencias.
Temas
de interés: Control inteligente,
energías alternativas, dispositivos
electrónicos
programables entre otros.
García , Duvan G. Actualmente esta
culminado estudios en la Universidad.
