Control de robot oruga con Controlador
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1. ESCUELA SUPERIOR POLIT CNICA DEL LITORAL Kis CENTRO DE INVESTIGACI N CIENT FICA Y TECNOL GICA C Pa T Control de robot oruga con Controlador Orangut n SV 328 mediante joystick utilizando Kit AVR Butterfly en interfaz inal mbrica por radio frecuencia 1 2 Carlos Guti rrez C sar Robalino Carlos Valdivieso Facultad de Ingenier a en Electricidad y Computaci n 1008 Escuela Superior Polit cnica del Litoral ESPOL 9 Campus Gustavo Galindo Km 30 5 V a Perimetral Apartado 09 01 5863 Guayaquil Ecuador 9 cgutierrEfiec espol edu ec crobalinOfiec espol edu ec Y cvaldivOfiec espol edu ec Resumen El proyecto que a continuaci n se presenta consiste en el uso de una comunicaci n inal mbrica para la transmisi n de datos enviados desde el joystick del KIT AVR Butterfly al controlador Orangut n SV 328 el cual facilita el control del robot oruga Este sistema permite el movimiento del robot dependiendo de la instrucci n dada en el joystick del Kit AVR Butterfly la cual es transmitida mediante RF por medio de los m dulos HMTR 4534 Para la realizaci n del proyecto se utiliza el Kit AVR Butterfly que posee un ATmega 169 el cual fue programado en el entorno de AVR Studio 4 y realiza el rol de transmisor El controlador orangut n SV 328 el cual est basado en el ATmega 328P conforma la parte de recepci n El mismo fue programado en el mismo entorno descrito en l neas anteriores Dicho m dulo se enc2. CENTRO DE INVESTIGACI N CIENT FICA Y TECNOL GICA c E T ATMEL AVR Butterfly and the Free WinAVRCompiler edici n 2005 http www smileymicros com 10 01 11 4 Laa Gu a del Usuario Orangut n SV 328 y LV XX http www pololu com docs 0J27 23 01 11 5 m Especificaciones del driver para los motores que se encuentra en el orangut n http www pololu com file 0J86 TB6612FN G pdf 25 01 11 6 m Programador USB POLOLU AVR que permite programar el robot Pololu 3 Pi y el Controlador Orangut n as como microcontroladores Atmel http www pololu com docs 0J36 05 02 11 7 Descripci n y especificaciones del KIT AVR Butterfly http www atmel com dyn products tools_card asp tool_id 3146 05 02 11 8 M dulo inal mbrico HMTR 434 http www roboeq com PDF 0501018 pdf 23 01 11 9 Robot oruga RPS http www pololu com catalog product 1060 16 01 2011 10 Simulaci n con AVR Studio 4 http www2 tech purdue edu ecet courses ece t309 Reference_Materials Simulation_AVR_ Studio_4 pdf 10 01 11 11 Gu a de usuario de AVR Studio 4 http courses cit cornell edu ee476 AtmelStuf f doc1019 pdf 10 01 11
3. O lines with power and ground for each line green LED e O ground row on PD7 I O power row LCD contrast adjustment I O signal row Dis programmin on PB2 connector pir user I O power selection jumpers motor 2 output motor 1 output user pushbuttons ground power input 6 alteri power connec ri EREZA o removable 8x2 character CD power button red LED power LED on PD1 potentiometer reset button jumper to connect potentiometer to ADC7 FIGURA 3 2 ORANGUTAN SV 328 3 3 Transceiver HM TR 434 La funci n principal de los m dulos HM TR 434 es la modulaci n y demodulaci n de los datos correspondiente debido a que puede funcionar como transmisor y receptor a la vez La frecuencia que se asigne es configurable por medio de un puerto serial una conexi n del MAX 232 para la conversi n de l gica RS232 a TTL y el programa HMTR SETUP que permite la configuraci n de la tasa de transmisi n y la frecuencia a la que se desee trabajar Los m dulos pueden ser encontrados en l gica TTL y RS232 A su vez posee una tasa de transmisi n entre 300 a 19200 bps CENTRO DE INVESTIGACI N CIENT FICA Y TECNOL GICA EEN YT 5 3 DREAD 7 z TELLARRREE FIGURA 3 3 TRANSCEIVER HMTR 434 3 4 Chasis RP5 El chasis RP5 est constituido internamente por un conjunto de engranajes que se conectan a los motores DC los cuales generan el movimiento hacia los discos dentados que se enc
4. cual procesa el comando y permite controlar el driver para motores Toshiba que suministra la corriente necesaria para hacer funcionar los motores del chasis RPS Chasis RP5 El chasis RP5 realizar los movimientos enviados desde el transmisor M DULO ORANGUTAN SV 328 TRANSCEIVER HMTR 434 eb CHASIS RP5 FIGURA 5 2 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL TRANSMISOR 6 Funcionamiento del proyecto Para verificar un correcto funcionamiento del proyecto a continuaci n se muestran las siguientes im genes La imagen corresponde al transmisor que en primera instancia se puede notar la placa que contiene la configuraci n del MAX 232 la fuente de 5 V y el Transceiver HM TR 434 Por otro lado se encuentra los mismos componentes dados en una nueva disposici n en el cual se aprecia el kit AVR Butterfly y la antena del transceiver FIGURA 6 1 TRANSMISOR DEL PROYECTO EN FUNCIONAMIENTO MOVIMIENTO DE Por otra parte se encuentra el receptor del proyecto que se encuentra ubicado en la parte superior del chasis RPS5 junto con el m dulo orangut n FIGURA 6 2 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL TRANSMISOR 6 1 Simulaci n en PROTEUS Para la simulaci n del proyecto fue necesario usar el modelo que se encuentra en los archivos VSM de Proteus en el cual se encuentra el diagrama esquem tico del AVR Butterfly con el cual se puede comprobar EL funcionamiento del LCD y de los buttons del joystick Para la simulac
5. n del Proyecto 5 1 DISE O PRELIMINAR La implementaci n del proyecto fue dividida en transmisor y receptor El transmisor se encuentra comprendido por lo siguiente 1 Una fuente de 5 V utilizando los reguladores LM7803 para energizar el transceiver HM TR 434 en el lado del transmisor 2 El circuito MAX 232 para ajustar el nivel de voltaje de los datos que se transmiten desde el KIT AVR BUTTERFLY hacia el transceiver HM TR 434 de modo que los datos se encuentren en el nivel l gico apropiado 3 El kit AVR Butterfly del cual se us los pines para comunicaci n serial y la LCD para mostrar los mensajes generados por las rdenes al presionar el Joystick El receptor se encuentra conformado por lo siguiente 1 Un tranceiver HMTR 434 alimentado por las salidas de voltaje del m dulo Orangut n SV 328 para la recepci n de las rdenes enviadas por el transmisor 2 El m dulo Orangut n SV 328 encargado de procesar las se ales recibidas por el transceiver HMTR 434 3 El robot oruga quien realizar el movimiento seg n las rdenes del m dulo Orangut n 5 2 Diagrama de bloques del transmisor y receptor del Proyecto El diagrama de bloques del transmisor se encuentra conformado por El Kit AVR Butterfly De este kit se hace uso del joystick que permite enviar el car cter correspondiente al movimiento de ste para ser enviado mediante el puerto serial desde el AVR Butterfly al MAX 232 que se encue
6. S 7 7 Proteus 7 7 perteneciente a LabcenterElectronics es un entorno integrado dise ado para la realizaci n completa de proyectos de construcci n de equipos electr nicos en todas sus etapas dise o simulaci n depuraci n y construcci n Este simulador consta de dos programas principales Ares e Isis y los m dulos VSM y Electra analizar el comportamiento de los previo a la implementaci n f sica del Permite circuitos circuito Posee herramientas de edici n librer as que contienen componentes an logos y familias de microcontroladores entre las cuales podemos citar Microchip Motorola ARM AVR microprocesadores de la familia ATMEL Motorola entre otros El programa ISIS de Proteus permite realizar la simulaci n en tiempo real de circuitos electr nicos lo cual permite tener una idea de su funcionamiento antes de su implementaci n El programa ARES permite el dise o de circuitos impresos Dichos circuitos pueden ser dise ados previamente en ISIS para ver la asignaci n de conexiones entre elementos ESCUELA SUPERIOR POLIT CNICA DEL LITORAL a CENTRO DE INVESTIGACI N CIENT FICA Y TECNOL GICA CC v7 gt Vew Edt Tools e Graph Source Debug Lbrary Template System Help OCA ala Ali i RARA ODA DA ZA MM EES Y TAA MARXA DA lm e a iple F E E BF a aera AVR Butterfly Demo Board 1 gt 8003N vx YObR Y 300 0 12000 th FIGURA 4 2 ENTORNO DE PROTEUS 7 7 5 Descripci
7. argar del control del chasis RP3 que consiste en dos motores DC y un grupo de engranajes que mueven dos ruedas a cada lado unidas a trav s de una banda de caucho lo cual permite recorrer terrenos irregulares Se utiliza tambi n dos m dulos HMTR 434 los cuales convierten los datos a RF y viceversa para el transmisor y receptor respectivamente usando modulaci n FSK Palabras claves Kit AVR Butterfly Orangut n SV 328 RP5 chasis HMTR 434 Abstract The project presented below involves the use of wireless communication for transmission of data sent from the AVR Butterfly Kit joystick to the Orangutan SV 328 driver that controls the robot This system allows the movement of the robot depending on the instruction given through the joystick in AVR Butterfly Kit which is transmitted by RF Radio Frequency through HMTR 434 modules For this project the AVR Butterfly Kit was used This kit has an ATMega 169 chip which is programmed with the AVR Studio 4 environment It function is to work as a transmitter The Orangutan SV 328 driver based on ATMega 328P makes up the reception part which was planned in the same environment described above This module will control RPS chassis consisting of two DC motors and a group of gears that move two wheels on each side joined by a rubber band that make easy the movement through rough fields It also uses two HMTR 434 modules which convert data to radio frequency and vice versa for the transmitter and r
8. av s de un aumento progresivo de la l Gracias al uso de m dulos programables como prog son el AVR Butterfly y el Orangut n SV 328 O EN Oo al ne pai los cuales poseen integrados diferentes alcancen velocidades altas en poco tiempo perif ricos se puede desarrollar una amplia En E o COLO no ue gama de aplicaciones las cuales se ven vengan dise ados de esa manera como es el limitadas s lo por la capacidad de soportada CACA AAA por los dispositivos programables y las ME A 4 Confirmar que los m dulos poseen un nivel de limitaciones el ctricas del m dulo alimentaci n adecuado al momento de realizar la programaci n caso contrario se podr an apagar durante el proceso y causar da os en los m dulos 2 El uso de drivers capaces de manejar niveles de corriente que un microcontrolador no puede suministrar facilita mucho el desarrollo de proyectos de control de motores como son el control de un robot ya que todas las instrucciones son realizadas por el microcontrolador y el mismo se encarga de enviar las se ales a los diferentes drivers para que puedan suministrar la potencia necesaria para dicha labor 5 Revisar al momento de realizar conexiones entre circuitos con diferentes fuentes de alimentaci n la correcta referencia entre el GND de los mismos de modo que se eviten resultados inesperados por las variaciones de voltaje debido a una mala referencia entre circuitos 3 El uso de m dulos de radiofrecuencia permit
9. e utilizadas En esta secci n se detallan los elementos utilizados para la implementaci n del proyecto 3 1 Kit AVR Butterfly El AVR Butterfly contiene un microcontrolador ATMegal69 el cual va a realizar el comando de las diferentes funciones de las que es capaz ste kit El kit viene precargado con un firmware el cual soporta detecci n de la temperatura medici n de la luz lecturas de voltaje y la reproducci n de m sica Hace uso del joystick el LCD y el buzzer ESCUELA SUPERIOR POLIT CNICA DEL LITORAL a cd CENTRO DE INVESTIGACI N CIENT FICA Y TECNOL GICA cC c yt Su alimentaci n se realiza a trav s de una bater a tipo bot n de 3 V la cual proporciona la energ a necesaria para su funcionamiento a raz n de 600 mAh Soporta programaci n ISP y programaci n mediante bootloader por medio de un puerto serial El ATmega 169 tiene entre sus caracter sticas principales 16 Kb de memoria FLASH 1 Kb de SRAM 512 bytes de EEPROM y posee 4 canales PWM adem s de un comparador anal gico A VK Butter gt A J407 gl lieo a J406 H Sw UART f 4 JADE Er ua Us TEE ya ean o f J400 J40 J403 J402 PORTS PORTD ISP JTAG ADO FIGURA 3 1 AVR BUTTERFLY Entre las caracter sticas del Kit AVR Butterfly podemos mencionar e LCD de 120 segmentos e Joystick de cuatro direcciones con empuje el centro de la entrada del usuario e Elemento piezoel ctrico para
10. e realizar un control de manera remota de dispositivos de inter s de modo que la limitaci n del control est dada por el alcance de los m dulos y la inmunidad a las diferentes fuentes de ruido que se encuentren en el medio de comunicaci n 6 Revisar que durante el recorrido del robot Oruga no hayan obst culos que puedan impedir su recorrido caso contario se puede forzar los motores causando el da o del driver al intentar suministrar una potencia mayor a su l mite Referencias 4 El entorno de programaci n AVR Studio junto al entorno de simulaci n Proteus permiten tener 1 Descripci n y especificaciones breves del una idea cercana a la realidad del m dulo Orangut n funcionamiento del proyecto lo cual realizar http www pololu com catalog product 1227 una cambio del dise o de ser necesario antes de specs 17 01 11 la implementaci n f sica del circuito 2 Recursos dados para la utilizaci n de las Recomendaciones librer as programadores para el Controlador Orangut n SV 328 as como para el pololu 3 p1 http www pololu com catalog i i 1 l 1 Recopilar la informaci n necesaria sobre los product 1227 resources 20 01 11 alcances y limitaciones de los diferentes elementos a utilizar durante la elaboraci n del oe 3 Pardue Joe Smile Micros com C proyecto as como sus requerimientos para su 3 i J i programming for Microcontrollers Featuring ESCUELA SUPERIOR POLIT CNICA DEL LITORAL raa
11. eceiver respectively using FSK modulation Keywords AVR Butterfly Kit Orangutan SV 328 RP5 Chassis HM TR 434 1 Introducci n El presente proyecto tiene como finalidad el control de un robot oruga con controlador Orangut n SV 328 mediante joystick usando el Kit AVR Butterfly en interfaz inal mbrica por radio frecuencia Adem s se plantea introducir el manejo de microcontroladores de la familia Atmel que forman parte de los m dulos mencionados a trav s del entorno del AVR Studio Otros de los componentes usados son el chasis RP5 y los transceiver HMTR 434 que permiten realizar la comunicaci n inal mbrica 2 Aplicaciones A pesar de que el robot oruga RP5 es de un tama o peque o puede realizar varias acciones que dan a notar una considerable robustez con respecto a sus dimensiones f sicas entre las cuales podemos citar Robot de rescate y b squeda Aprovechando la tracci n que posee y el desempe o en reas que posean obst culos Es importante recordar que el objeto a remolcar no debe causar que el robot exceda sus limitaciones el ctricas Robot War Al ser un kit educativo no posee armas para el correspondiente desempe o pero asign ndole las necesarias sin afectar su alimentaci n su tracci n es de gran ayuda Robot de exploraci n Se puede aprovechar la tracci n del robot para atravesar terrenos irregulares teniendo como limitaci n el alcance de los m dulos de RF 3 Herramientas de Hardwar
12. i n se hizo uso del COMPIM haciendo uso de un puerto serial virtual AVR BUTTERFLY SD AA a A A a a a Ad As A a sl ARIAS IEA A FIGURA 6 3 DISE O DE KIT AVR BUTTERFLY EN PROTEUS FIGURA 6 4 USO DEL COMPIM PARA LA TRANSMISI N DE DATOS Yirtual Terminal al a OO A0 FIGURA 6 5 CARACTERES GENERADOS AL PRESIONAR LOS BUTTONS DEL JOYSTICK DEL KIT AVR BUTTERLFY A continuaci n se muestran im genes obtenidas desde el receptor Debido a que en Proteus no se encuentra el driver TB6612FNG se hizo uso de un L293D con el cual se simula el movimiento de los motores LCD uiet FIGURA 6 6 SIMULACI N DEL M DULO ORANGUT N SV 328 ESCUELA SUPERIOR POLIT CNICA DEL LITORAL is CENTRO DE INVESTIGACI N CIENT FICA Y TECNOL GICA C ma T e AAA correcto funcionamiento de modo que se Niega de a E ER mes puedan comprender todos los resultados que se obtengan a lo largo de la implementaci n del proyecto hasta su culminaci n 2 Realizar una configuraci n adecuada para minimizar la presencia de ruido tanto en la transmisi n de los datos como en la recepci n de los mismos de modo que no se reciban datos que no puedan ser interpretados de manera FIGURA 6 7 SIMULACI N DEL CONTROL DE correcta por los m dulos MOTORES CON DRIVER L293D 3 Configurar el proceso de trabajo de los motores Conclusiones en caso de hacerlos partir desde el reposo para que la energ a sea usada de manera eficiente a j tr
13. ntra en la tarjeta del kit de desarrollo Para ilustrar el comando que se ha presionado en el joystick se presenta el mensaje de la instrucci n en el LCD El Convertidor MAX 232 El convertidor MAX 232 ajusta el nivel de voltaje que se obtiene del pin de transmisi n del Kit AVR Butterfly a l gica TTL para que el transceiver HMTR 434 funcione correctamente Transceiver HM TR 434 El transceiver en esta etapa funciona como transmisor y realiza la conversi n de la se al recibida por el m dulo AVR Butterfly para transmitirlos mediante RF usando modulaci n FSK La tasa de transmisi n de datos es de4800 baudios La alimentaci n se da a base de un regulador LM7805 y una bater a de 9V para crear una fuente de 5V KIT AVR CONVERTIDOR MAX 232 TRANSCEIVER HMTR 434 BUTTERFLY FIGURA 5 1 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL TRANSMISOR El diagrama de bloquesdel receptor se encuentra estructurado de la siguiente manera Transceiver HM TR 434como receptor En esta etapa el transceiver funciona como receptor y es el encargado de demodular la se al y obtener los datos para ser procesados en la siguiente etapa La alimentaci n del transceiver hace uso de la fuente de 5 V que se obtiene desde el Orangut n SV 328 ESCUELA SUPERIOR POLIT CNICA DEL LITORAL Ea CENTRO DE INVESTIGACI N CIENT FICA Y TECNOL GICA Cicy1 M dulo Orangut n SV328 Este m dulo hace uso del pin de recepci n del microcontrolador ATmega328 el
14. reproducir sonidos Cristal de 32 kHz para el reloj en tiempo real Un convertidor de nivel MAX232 Termistor NTC para medir la temperatura Puerto para programaci n por ISP y JTAG 3 2 Orangut n SV 328 El m dulo Orangut n SV 328es una herramienta que permite el control de varios perif ricos incluyendo leds motores LCD Su tama o 2 15 x 1 9 permite que sea adaptable en diferentes placas de modo que no ocupa mucho espacio y da una amplia funcionalidad El control del voltaje se hace a trav s de un regulador de 5V el cual permite manejar valores de corriente hasta de 3 A como m ximo capacidad utilizada para el control de motores a trav s de un driver conectado a los pines que generan la se al PWM el TB6612FNG que puede alcanzar un valor m ximo de 80 KHz La modulaci n de ancho de pulso la conseguimos gracias a los temporizadores TMRO y TMRI El ATMEGA 328 tiene entre sus caracter sticas principales 32Kb de memoria Flash 2 Kb de SRAM 1Kb de EEPROM Adem s podemos mencionar LCD de 8 caracteres por 2 l neas Su alimentaci n va desde 6 7 V hasta 13 V Posee 8 pines de entrada y salida Posee ADC con una resoluci n de 10 bits haciendo uso de 6 de los 8 pines de entrada y salida como entradas anal gicas e Driver TB6612FNG para el control de los motores que suministra desde 1 A por canal hasta un valor m ximo de 3 A e Comunicaci n Serial a nivel l gico TTL 8 1
15. uentran recubiertos por la cinta de caucho que le suministra al robot oruga mayor tracci n Entre otras de sus caracteristicas posee un portapilas para alimentar a los motores y al m dulo Orangut n FIGURA 3 4 CHASIS RP5 4 Herramientas de Software 4 1 AVR STUDIO 4 AVR Studio es un ambiente de desarrollo para escribir y simular aplicaciones para los microcontroladores de la familia ATMEL Provee herramientas de manejo editor de c digo fuente tanto lenguaje ensamblador como lenguaje C Permite visualizar los diferentes registros que posee el microcontrolador que estemos programando y adem s facilita manipular esos valores durante la ejecuci n del programa al igual que permite manipular el valor de las variables declaradas El IDE IntegratedDevelopmentEnvironment soporta todas las herramientas de ATMEL requeridas para la arquitectura AVR de 8 bits El lenguaje GCC GNU C Compiler permite una programaci n de alto nivel de modo que consigamos desarrollar aplicaciones de mayor grado de desarrollo Al realizar la compilaci n se genera un c digo de m quina muy compacto y eficiente que se integra perfectamente con algunos emuladores como PROTEUS para el proceso de depuraci n Welcome to AVR Studio 4 Create new project Project type Project name 4 Atmel AVR Assembler I AVR GCC q Initial file Location DA Wer 4 118 700 FIGURA 0 1 ENTORNO DE AVR STUDIO 4 4 2 PROTEU
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