Sistemas de transporte autónomos

Sistemas de transporte autónomos

Diseño del programa y arquitectura de un robot seguidor de líneas y que esquiva obstáculos

Barboza Moreno Juan Alexis1.

1Escuela Secundaria Técnica #19. Primera y Margaritas s/n, Ex-Ejido Chapultepec, C.P.: 22785. Ensenada, Baja California, México. 

23 de enero de 2019.

Resumen —La robótica es el estudio derivado de varias ingenierías, entre las que se encuentran la mecatrónica, eléctrica, mecánica, biomédica y computación, que se encarga del diseño, elaboración y manejo de robots. Sin embargo, durante esta práctica nos enfocaremos mayormente en el diseño de un programa en lenguaje Arduino que gobierne el robot, así como la arquitectura de este.

1. INTRODUCCIÓN

I-A. El robot.

Se le denomina robot al dispositivo producto de las técnicas electrónica, eléctrica, de programación y mecánica que tiene como objetivo desarrollar cierta tarea de manera cíclica y sin la necesidad de intervención humana alguna, más que para el mantenimiento de la máquina. En definitiva, un robot es una máquina programable que desempeña una función constantemente, en la que la acción humana resultaría ineficiente.

Existen diversos tipos de robots, cada uno llamado de acuerdo con la(s) acciones que realizan. Pero todos comparten la cualidad de poseer una unidad de procesamiento que se encarga de transformar las acciones de un programa informático. En concreto, quien desempeña esta función es el microcontrolador (µC).

Durante el desarrollo de esta práctica, nosotros nos enfocaremos en una clasificación específica de estos dispositivos: los robots móviles. Estos se caracterizan por tener la capacidad de analizar el espacio que los rodea, así como explorarlo y desplazarse a través de él. Analizaremos su arquitectura, así como el programa informático utilizado para gobernar el robot.

I-B. Robot seguidor de líneas.

        Este tipo de robot se caracterizan por tener la capacidad de seguir una línea pintada en la superficie donde se desplazan. Generalmente se trata de una línea negra sobre una superficie blanca. En ciertas ocasiones es usual ver el caso contrario —línea blanca sobre fondo negro—, pero debido a la intervención de la programación, bien puede se programado de manera que siga la línea blanca o bien, la negra.

        Una ventaja notable de este tipo de robots es que no necesitan de un usuario que lo esté controlando vía cable o vía aérea, pues son completamente autónomos. Con las modificaciones adecuadas, es posible abrir una enorme gama de versatilidad con estos robots, pues pueden ser aprovechados desde las aplicaciones más cotidianas —como la mejora y automatización del transporte— hasta las aplicaciones más particulares, como el transporte de material en un almacén. Esto traería más beneficios tanto económicos, como sociales y laborales, a la hora de transporte de material o personal.

        La característica que destaca este robot son sus sensores. Por lo general, utiliza sensores infrarrojos (que no son más que optoacopladores) que operan en la longitud de onda de 750 nm y tienen la finalidad de mantenerse sobre la línea.

        El funcionamiento básico de este tipo de dispositivo es que, al acercarse una cierta distancia, la superficie refleja la luz infrarroja proveniente del LED, incidiendo sobre el fototransistor y generando una corriente en el circuito colector-emisor. Si se hace pasar esa corriente a través de una resistencia, obtendremos un voltaje que puede ser leído por el microcontrolador como un estado bajo o activo.

        Si se hace una lectura donde el circuito colector-emisor del lado derecho está en estado bajo o inactivo, significará que el robot se ha desviado hacia la derecha, por lo que el microcontrolador hará la escritura digital de un estado bajo sobre el motor de la izquierda, corrigiendo esta posición, y viceversa. El siguiente diagrama sintetiza el funcionamiento de un seguidor de líneas genérico:

[pic 1]

Esquema 1.1 Diagrama de bloques que generaliza el funcionamiento de un robot seguidor de líneas.

I-C. Robot esquiva obstáculos.

        En semejanza con el robot anterior, este también posee cierto grado de autonomía respecto a los demás. Y la cualidad que lo identifica, pues, es la de poseer un sensor ultrasónico (operando en el orden de 40 kHz) que le permite conocer la distancia del objeto más próximo a él, en un rango desde 2 cm hasta 4 m, con una precisión de 2 mm. A partir de conocer esa distancia, es cuestión del programador decidir qué hacer. Por ejemplo, si se incluye un puente H en el circuito, es posible retroceder un cierto tiempo y luego virar hacia algún lado para esquivar el obstáculo; o bien, ya sobrepasado o alcanzado cierta distancia umbral, detener un motor con el propósito de que gire a cierto lado.

        Como el en caso anterior, es posible resumir el funcionamiento de esta máquina mediante un diagrama de bloques:

[pic 2]

Esquema 1.2 Diagrama de bloques que simplifica el funcionamiento del robot esquiva obstáculos

        La ventaja de este tipo de robots frente a los seguidores de líneas es que tiene libertad total en cuento exploración; es decir, que es completamente libre de tomar el camino más pertinente.

        Esto representa una gran ventaja, por ejemplo, en el campo de la investigación científica, donde se necesitan salvar extensiones muy grandes de territorio para el estudio de las componentes geográficas, del suelo, entre otros factores que requieren de la habilidad de exploración en territorios hostiles para los seres humanos.

        Nosotros nos enfocaremos en la elaboración de una especie de híbrido entre estos dos últimos tipos de robots expuestos anteriormente; es decir, uno que siga una línea negra, pero que por otro lado, pueda esquivar obstáculos en su exploración del terreno. Para ello, nos valdremos de una herramienta que expondremos a continuación:

I-D. Placa programable Arduino.

        Arduino es una compañía que fabrica placas programables para construir dispositivos digitales y que pueden actuar con su entorno natural. Generalmente, la placa consiste en varios microcontroladores a los que se les ha anexado uno o varios puertos, y donde se pueden conectar placas de expansión (también llamadas shields).

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