PDF de programación - Plataforma Robótica Controlada de Forma Remota Mediante una Red I2C de Microcontroladores

Plataforma Robótica Controlada de Forma Remota

Mediante una Red I2C de Microcontroladores

Dep. de Ingeniería Electrónica, Sistemas Informáticos y Automática, Univ. de Huelva, Palos de la

José Manuel Andújar Márquez

Frontera (Huelva), [email protected]

Tomás de Jesús Mateo Sanguino



Dep. de Ingeniería Electrónica, Sistemas Informáticos y Automática, Univ. de Huelva, Palos de la

Frontera (Huelva), [email protected]

Dep. de Ingeniería Electrónica, Sistemas Informáticos y Automática, Univ. de Huelva, Palos de la

Frontera (Huelva), [email protected]

Francisco José Aguilar Nieto

Dep. de Ingeniería Electrónica, Sistemas Informáticos y Automática, Univ. de Huelva, Palos de la

Frontera (Huelva), [email protected]

Juan José Chica Barrera



RESUMEN


Este artículo describe los resultados obtenidos en el
desarrollo de una plataforma de pruebas, con el
objetivo de ensayar y poner a punto diferentes
estrategias de control remoto, visión artificial y
adquisición y procesamiento de señales, las cuales
están dedicadas al control de un vehículo de bajo
peso equipado con un brazo robótico manipulador
denominado VANTER (Vehículo Autónomo No
Tripulado Especializado en Reconocimiento). Este
vehículo está actualmente en desarrollo.

El objetivo fundamental de este trabajo es el diseño,
implementación y pruebas de una
red de
microcontroladores que, mediante conexión RF, ha
de permitir el control remoto del VANTER.

Para la comunicación punto a punto entre estos
dispositivos y el
intercambio de datos de
telecomandos y telemetría, se ha implementado un
protocolo de redirección de mensajes orientado a
conexión, entre el interfaz virtual de usuario y la red
de microcontroladores, usando como enlace el canal
UHF y el bus I2C.

Palabras Clave: Plataforma
interfaz
virtual, control remoto, red de microcontroladores,
bus I2C.



robótica,

Figura 1: Plataforma de prueba dedicada a
ensayar estrategias de control remoto y visión
artificial del vehículo robótico VANTER.

en

conocido

INTRODUCCIÓN

1

La implementación de aplicaciones para la robótica
mediante el uso de microcontroladores es algo
largamente
ingeniería. La
disponibilidad de dispositivos cada vez más
completos, junto con el desarrollo de nuevas librerías
de alto nivel, hacen posible
la programación,
fundamentalmente en lenguaje C de sus nuevas
funcionalidades [3]. Todo ello permite diseñar una
arquitectura hardware basada en una
red de
microcontroladores dedicados al control de tareas
concretas. El reducido tamaño de estos dispositivos

la

XXVII Jornadas de AutomáticaAlmería 2006 - ISBN: 84-689-9417-0511 dispositivos

llevan

los mensajes

forma parte de una

alimentación hacia partes móviles

con encapsulados SMD [9], hace posible además
incluirlos abordo de los elementos a controlar o
monitorizar, reduciendo el número de líneas de señal
y
como
articulaciones o motores.

Este trabajo muestra los resultados obtenidos en el
desarrollo de una plataforma de ensayo, dedicada a
controlar un vehículo de bajo peso equipado con un
brazo robótico manipulador llamado VANTER. El
objetivo fundamental reside en aportar un sistema de
control
remoto basado en un módem UHF,
directamente conectado a un microcontrolador
maestro. Éste
red de
microcontroladores esclavos con tareas específicas
sobre el hardware a controlar (motores y encoders).
Estos
de
información o control a través de la red I2C y son
gobernados por un cliente remoto que monitoriza y
ejecuta las tareas desde un interfaz virtual.

Existen
la
comunicación de microcontroladores en una red
maestro-esclavo basada en el bus I2C [12]. De forma
comercial, el bus I2C se utiliza típicamente para el
control de pequeños dispositivos como pantallas
LCD,
teclados o sensores mediante un único
microcontrolador
de
investigación describen el diseño de un protocolo de
comunicación en una red I2C aislada, formada por
microcontroladores que monitorizan datos de
sensores mediante una configuración maestro-
esclavo [11], o el uso de un PC empotrado que se
comunica mediante RS-232 con hardware I2C y
microcontroladores [8].

El artículo está dividido en varias secciones que
desarrollan los puntos a tratar desde una perspectiva
global del sistema hasta sus partes individuales,
concretando en las implementaciones de hardware y
software realizadas. Se describen sus características y

[5]. Algunos

referencias

trabajos

pocas

dedicadas

a

Figura 2: Muestra del brazo robótico montado en
el vehículo VANTER.

(d)



(a)

(b)

(c)

(f)

(e)

Figura 3: Detalle de un microcontrolador esclavo
que controla un conjunto de motores y encoders.

funciones, incluyendo figuras y esquemas de los
sistemas. Finalmente,
algunas
conclusiones y líneas actualmente en desarrollo.


consideran

se

2 VEHÍCULO AUTÓNOMO NO

TRIPULADO ESPECIALIZADO EN
RECONOCIMIENTO


El propósito final que ha sido marcado en el
proyecto, es el desarrollo de un prototipo de robot
móvil dotado de brazo manipulador denominado
(Vehículo Autónomo No Tripulado
VANTER
Especializado en Reconocimiento)
[2], con el
objetivo de ensayar y poner a punto diferentes
estrategias de control remoto, visión artificial y
adquisición y procesamiento de señales. El desarrollo
del prototipo ha sido dividido en varias fases de
diseño, ensamblaje y programación del hardware.

Estas fases implican la implementación de una
plataforma móvil con posicionamiento y tracción
independiente (fig.1), un brazo robótico manipulador
(fig.2), sistemas de control y adquisición de datos
basados en motores y sensores (fig.3), una red de
microcontroladores
con
comunicación a alta velocidad (fig.5), un interfaz
virtual de control remoto en tiempo real mediante
radioenlace (fig.8) y un sistema de visión artificial
mediante realimentación de imágenes de una micro
cámara actualmente en desarrollo.

Anteriormente se ha probado con éxito el desarrollo
de un
interfaz virtual que controla el brazo
manipulador de forma remota [1]. Este interfaz ha
sido programado mediante una herramienta gráfica
que permite incluir de una forma sencilla elementos
de control y monitorización de cada uno de los
grados de libertad del brazo manipulador.

maestros-esclavos

XXVII Jornadas de Automática512Almería 2006 - ISBN: 84-689-9417-0 3 CONTROL DEL HARDWARE DE BAJO

NIVEL

al

de

tamaño

pequeño


Gracias
los
microcontroladores, es posible incluirlos abordo de
los elementos a controlar, reduciendo el número de
cables de señal y alimentación que habría que llevar
hacia las partes móviles del vehículo robótico como
articulaciones o ruedas. Por ello, se tiene un sistema
donde cada grupo de circuitos tiene su propio
microcontrolador dedicado al control del hardware,
creando así una red de dispositivos que es necesario
comunicar y sincronizar.

En la figura 3 se muestra el detalle de una de las
ruedas controladas por cada microcontrolador
esclavo (a). Este dispositivo genera señales PWM
que controlan sendos motores de corriente continua
por cada microcontrolador, a través de los circuitos
en puente. El motor del ángulo de posición (b) está
acoplado a una caja reductora en el eje del motor (c),
cuya posición es leída por un encoder basado en un
potenciómetro de película continua (d). El motor de
avance de la rueda (e) [7] proporciona una velocidad
de 120 r.p.m y el encoder basado en un sensor óptico
reflexivo (f) obtiene la posición del giro.


Interfaz
Virtual

Módem
UHF

Microcontrolador

Maestro

Bus I2C

Figura 5: Estructura de la arquitectura hardware
de la red de microcontroladores.

Gracias al control individual de cada grupo de
microcontroladores, es posible ofrecer distintas
combinaciones de las posiciones de las ruedas que
nos permitan distintos modos de desplazamiento.
Estos modos de desplazamiento son programados en
alto nivel, pudiendo seleccionarse a través del
interfaz virtual de usuario, la combinación que mejor
se adapte a las necesidades del movimiento.

En la figura 4 se puede observar una muestra de
distintos desplazamientos. De izquierda a derecha y
de arriba hacia abajo podemos ver: movimiento de
avance
de
desplazamiento
lateral, movimiento de rotación,
movimiento de giro a la derecha con avance,
desplazamiento con ángulo hacia delante y
movimiento de retroceso hacia la izquierda.


lineal, movimiento

retroceso

y

4 DISEÑO DE LA RED DE

MICROCONTROLADORES


El esquema de la figura 5 muestra la red de
microcontroladores de 8 bits de la serie PIC16F87X
de la casa Microchip [10] que han sido utilizados. La
red está diseñada en torno a un bus I2C que ha sido
configurado en modo rápido a una velocidad de 400
Khz. El modo de direccionamiento elegido permite la
comunicación con un número máximo de 128
dispositivos distintos, de los cuales se han necesitado
hasta el momento 1 dirección para el maestro y 4

Figura 4: Ejemplos con distintas combinaciones
posibles de las posiciones de las ruedas para el
desplazamiento.

XXVII Jornadas de AutomáticaAlmería 2006 - ISBN: 84-689-9417-0513 Interfaz
Virtual

UHF

Micro
Maestro

I2C

Micro
Esclavo

PAQUETE 1

PAQUETE 1

ERROR 1

ACK 1

OK 1

PAQUETE 1

ERROR 1

OK 1

PAQUETE 1

Fi