Control de robots autónomos mediante microcontrolador Arduino

215 Pages·2015·5.01 MB·Spanish

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID

ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES

Grado en Ingeniería en Electrónica Industrial y Automática

Control de robots autónomos mediante
microcontrolador Arduino

Autor:
Misiego López, Ana

Tutor 1:
Zalama Casanova, Eduardo
Tutor 2:
Gómez García-Bermejo, Jaime

Valladolid, Septiembre 2015
Control de robots autónomos mediante microcontrolador Arduino | Ana Misiego

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Agradecimientos:

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RESUMEN

El principal objetivo de este proyecto es realizar el control de bajo nivel de un robot
móvil educacional. El control se ha realizado mediante un sistema distribuido de tres
microcontroladores al que se han conectados los diferentes actuadores y sensores.
Para evitar el choque contra obstáculos, se ha realizado la lectura de los ultrasonidos,
bumpers, además de controlar el estado de la batería. Después, a partir de la lectura
de los codificadores incrementales, se ha generado un control PID para obtener un
movimiento de los motores adecuado y dando la consigna adecuada de velocidad a los
amplificadores.
Para la comunicación entre los microcontroladores se ha realizado una comunicación
tipo I2C y una tipo Puerto Serial para la comunicación entre bajo y alto nivel.
Finalmente, se ha realizado un módulo ROS (Robot Operating System) de alto nivel de
gestión de dispositivos lo que permite la utilización de una gran variedad de programas
de control, navegación y planificación de software abierto con el robot.

Palabras clave: Robótica. Control. Arduino. Automática. Electrónica.

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Contenido

1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... 11
1.1. Marco del proyecto .............................................................................................. 11
1.2. Objetivos ............................................................................................................... 12
1.3. Estructura de la memoria .................................................................................... 14
2. DISEÑO PREVIO ........................................................................................................... 17
2.1. Introducción ......................................................................................................... 17
2.2. Diseño mecánico ................................................................................................. 18
Chasis ........................................................................................................................... 18
Configuración cinemática ........................................................................................... 19
Motores ........................................................................................................................ 25
2.3. Diseño electrónico ............................................................................................... 27
Sensores ...................................................................................................................... 28
Sistema de alimentación ............................................................................................ 30
Controlador GPMRC .................................................................................................... 33
Puentes H .................................................................................................................... 34
Codificadores incrementales ...................................................................................... 35
3. DISEÑO ACTUAL ........................................................................................................... 37
3.1. Introducción ......................................................................................................... 37
3.2. Diseño electrónico ............................................................................................... 37
Elección de los microcontroladores ........................................................................... 38
Arduino Uno ................................................................................................................. 41
Arduino Mega .............................................................................................................. 43
3.3. Arquitectura hardware del robot Edubot ............................................................ 45
Ultrasonidos – Arduino Uno ........................................................................................ 46
Bumpers – Arduino Uno .............................................................................................. 46
Batería – Arduino Mega .............................................................................................. 47
Motor – Encoder – Puente H – Arduino Mega .......................................................... 48
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Montaje total ............................................................................................................... 49
4. CONTROL DEL ROBOT EDUBOT .................................................................................. 51
4.1. Introducción ......................................................................................................... 51
4.2. Recepción de ultrasonidos y bumpers ............................................................... 51
4.3. Estado de la batería ............................................................................................. 53
4.4. Gestión de alarmas .............................................................................................. 54
4.5. Control de motores .............................................................................................. 55
Lectura de codificadores incrementales ................................................................... 55
Control de los puentes H ............................................................................................ 58
Control PID de la velocidad......................................................................................... 59
4.6. Control global ....................................................................................................... 67
4.7. Localización odométrica. ..................................................................................... 68
Cinemática diferencial ................................................................................................ 69
Posibles errores ........................................................................................................... 71
Calibrar distancia ........................................................................................................ 72
Calibrar desviaciones .................................................................................................. 72
Calibrar giros................................................................................................................ 73
5. COMUNICACIÓN DEL ARDUINO MEGA ....................................................................... 77
5.1. Comunicación Arduino Mega maestro – Arduino Uno ...................................... 77
Comunicación I2C ....................................................................................................... 77
Comunicación I2C en Arduino .................................................................................... 80
5.2. Comunicación Arduino Mega maestro – Ordenador/Arduino Mega esclavo .. 82
Tramas de comunicación ............................................................................................ 85
6. PROGRAMAS DE COMPROBACIÓN DEL ROBOT EDUBOT ......................................... 89
6.1. Introducción ......................................................................................................... 89
6.2. Desarrollo de los programas ............................................................................... 89
PID ................................................................................................................................ 90
Prueba .......................................................................................................................... 91
Odometría .................................................................................................................... 96
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Simulación ROS ........................................................................................................... 97
7. RESULTADOS EXPERIMENTALES ............................................................................. 101
7.1. Introducción ....................................................................................................... 101
7.2. Ultrasonidos y bumpers ..................................................................................... 101
7.3. Motores ............................................................................................................... 102
Lectura de codificadores incrementales ................................................................. 102
Control de los puentes H .......................................................................................... 103
Control PID de la velocidad....................................................................................... 103
7.4. Comprobación Robot Edubot ............................................................................ 108
Prueba ........................................................................................................................ 109
Odometría .................................................................................................................. 110
Simulación ROS ......................................................................................................... 111
8. ESTUDIO ECONÓMICO ............................................................................................... 113
8.1. Introducción ....................................................................................................... 113
8.2. Recursos empleados ......................................................................................... 113
8.3. Costes directos ................................................................................................... 114
Coste de personal ..................................................................................................... 114
Costes amortizables de programas y equipos ........................................................ 116
Coste de materiales directos empleados ................................................................ 117
Coste derivado de otros materiales ......................................................................... 117
Coste directos totales ............................................................................................... 118
8.4. Costes indirectos ............................................................................................... 118
8.5. Costes totales ..................................................................................................... 119
9. CONCLUSIONES ......................................................................................................... 121
10. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 125
11. ANEXOS .................................................................................................................. 127

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