Control de estabilidad de un robot por medio de señales ultrasónicas. (Control stability of robot by means ultrasonic signals).

Wilmar

Description

Resumen
Actualmente son diversos los métodos utilizados para la medición de una inclinación de un cuerpo respecto a una referencia o un marco fijo, pero el problema radica en los costos que estos acarrean, siendo este un factor limitante para el desarrollo científico cuando se dispone de bajos recursos económicos. En Este punto es en donde se hace relevante la investigación y el desarrollo en materia de tecnología llevado a cavo, en este articulo, ya que la finalidad del presente proyecto, consiste en proporcionarle estabilidad a un robot autónomo de un solo eje, para lo cual se hace necesario, la implementación de un sistema de control de inclinación. El sistema de detección de inclinación desarrollado, está basado en el ultrasonido como herramienta principal de medición de distancia entre dos puntos equidistantes del eje central de la plataforma robótica, la cual es inestable por naturaleza. Mediante este nuevo método, se ha logrado establecer magnitudes de inclinación del orden de fracciones de grados, ya que los transductores piezoeléctricos en conjunto con la electrónica implementada, brinda gran precisión en las medidas realizadas.
Abstract
Currently there are various methods used for measuring an inclination of a body with respect to a reference or a fixed frame, but the problem is that these carry costs, this being a limiting factor for the development of science when you have low income economic. At this point it becomes relevant where the research and development in technology led to dig in this article, since the purpose of this project is to provide stability to an autonomous robot one axis, for which becomes necessary, the implementation of a tilt control system. The tilt detection system developed is based on ultrasound as the primary tool for measuring distance between two points equidistant from the central axis of the robotic platform, which is inherently unstable. With this new method has been established tilt magnitudes of the order of fractions of degrees, as the piezoelectric transducers in conjunction with electronics implemented, provides greater precision in the measurements.

Sujets

• Inclinación
• Piezoelectrico
• Robótica
• Transductor
• Inclination
• Piezoelectricity
• Robotics
• Transducer

Informations

• Publié par: erevistas
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 20
• Langue: English

Extrait

Ing. USBMed, Vol. 1, No. 1, Jul-Dic 2010

CONTROL STABILITY OF ROBOT BY MEANS ULTRASONIC SIGNALS

CONTROL DE ESTABILIDAD DE UN ROBOT POR MEDIO DE SEÑALES
ULTRASÓNICAS

Wilmar G. Monsalve Harby A. Muñoz David A. Álvarez
Universidad de San Universidad de San Universidad de San
Buenaventura Medellín Buenaventura Medellín Buenaventura Medellín
[e-mail] [e-mail] [e-mail]

Sergio F. Ardila Andrés M. Cárdenas T.
Universidad de San Buenaventura Medellín Universidad de San Buenaventura Medellín
[e-mail] [e-mail]

(Tipo de Artículo: INVESTIGACIÓN. Recibido el 11/11/2010. Aprobado el 05/12/2010)

Abstract – Currently there are various methods used for 1. INTRODUCCIÓN
measuring an inclination of a body with respect to a El presente proyecto se encuentra ubicado en un
reference or a fixed frame, but the problem is that these contexto investigativo y aplicativo de ciencias tales
carry costs, this being a limiting factor for the development como control automático (robusto), robótica móvil,
of science when you have low income economic. At this maquinas eléctricas y física de ondas.
point it becomes relevant where the research and
development in technology led to dig in this article, since
La idea principal del proyecto, consiste en the purpose of this project is to provide stability to an
implementar un sistema de detección de autonomous robot one axis, for which becomes
inclinación por un método no convencional, que se necessary, the implementation of a tilt control system. The
tilt detection system developed is based on ultrasound as acomode al prototipo de plataforma robótica
the primary tool for measuring distance between two implementada [1] [8], para la posterior aplicación
points equidistant from the central axis of the robotic de dos tipos diferentes de técnicas de control
platform, which is inherently unstable. With this new robusto tales como LQR y LQG/LTR, con el fin de
method has been established tilt magnitudes of the order identificar cual es la técnica de control más
of fractions of degrees, as the piezoelectric transducers in
apropiada para el proyecto en desarrollo. En este conjunction with electronics implemented, provides
punto de la investigación es en donde se toma greater precision in the measurements.
como recurso principal las propiedades de la física
de ondas, más específicamente ondas de sonido, Keywords: Inclination, piezoelectric, robotics,
transducer. ya que los sensores utilizados son transductores
piezoeléctricos, con los cuales se realizaran las
Resumen – Actualmente son diversos los métodos mediciones de distancia de los extremos de la
utilizados para la medición de una inclinación de un plataforma con el fin de establecer el índice de
cuerpo respecto a una referencia o un marco fijo, pero el inclinación de la plataforma en todo momento [9].
problema radica en los costos que estos acarrean,
siendo este un factor limitante para el desarrollo
2. DESARROLLO científico cuando se dispone de bajos recursos
El desarrollo del proyecto está basado en la económicos. En Este punto es en donde se hace
medición de la distancia de los extremos de la relevante la investigación y el desarrollo en materia de
tecnología llevado a cavo, en este articulo, ya que la plataforma, la cual es inestable, ya que solo
finalidad del presente proyecto, consiste en cuenta con un solo eje central de apoyo, todo esto
proporcionarle estabilidad a un robot autónomo de un con el fin de establecer el índice de inclinación de
solo eje, para lo cual se hace necesario, la un extremo de la plataforma con respecto al otro.
implementación de un sistema de control de inclinación. Lo cual se realiza con dos módulos de
El sistema de detección de inclinación desarrollado, está
transductores piezoeléctricos Tx y Rx, ubicados en basado en el ultrasonido como herramienta principal de
cada extremo, esto con el fin de tomar el tiempo medición de distancia entre dos puntos equidistantes del
de vuelo Tv [2], de un tren de pulsos emitidos eje central de la plataforma robótica, la cual es inestable
sincrónicamente por los sensores ultrasónicos –por naturaleza. Mediante este nuevo método, se ha
logrado establecer magnitudes de inclinación del orden Tx. El procesamiento del cálculo de la distancia de
de fracciones de grados, ya que los transductores los extremos de la plataforma respecto a la
piezoeléctricos en conjunto con la electrónica superficie de apoyo y el control de los actuadores
implementada, brinda gran precisión en las medidas finales –dos motores DC–, está a cargo del
realizadas. microcontrolador PIC16F877A de Microchip [4]. La

metodología general se observa en la Fig. 1.
Palabras clave: Inclinación, piezoeléctrico, robótica,
transductor.


W. G. Monsalve, H. A. Muñoz, D. A. Álvarez, S. F. Ardila y A. M. Cárdenas T. “Control de estabilidad de un robot por medio de
señales ultrasónicas”. Ing. USBMed, ISSN: 2027-5846, Vol 1, No. 1, pp. 51-58. Jul-Dic 2010.
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utilizado 400SR160, es de 40 KHz, por lo que ell
uso de una frecuencia diferente para este
traansductor, daría commo resultaado bajass
ammplitudes de voltaje en lo os receptoress.

Otro aspecto importante que debe ser
mencionado, es que los materiales piezoeléctricos
tienen una etapa de resonancia, durante un corto
periodo de tiempo, por lo cual se utilizan parejas
dee transductorres independdientes, con el fin que laa
etaapa de resonnancia en el Tx no afectee la señal dee
Fig. 1. Metodología general RX.

2.1 Piezoelectricidad
Existen cristales que al ser sometidos a una
tensión, experimentan distorsiones en su
superficie debido a que las cargas positivas y
negativas, ppor física nattural tratan dde disponersse a
sí mismas. La reaccción piezoeléctrica de un
material depende directamente de su simetría, así
como de la orientación del cristal respecto a sus
ejes cristalográficos.

Cuando se aplica presión sobre las caras de un
cristal con ppropiedades piezoeléctricas, es posiible
generar caargas elécttricas posittivas en uuna
superficie y negativas en la opuesta. El efecto
inverso, cuando se aplica una tensión eléctrica, el
cristal se disstorsiona dependiendo directamente e de
Fig. 2. Respuesta en fr recuencia del emisor la magnitud del campo eléctrico y de la frecuencia
de este; si desaparece este campo eléctriico,
2.2 Topología de trabajo también desaparece dicha distorsión.
Laa base teórica y de funcionamieento de laa
toppología de trabajo se fuundamenta een el tiempoo Aprovechando la propiedad piezoeléctrica de
de vuelo de un tren de pulssos. Para esta topología algunos materiales, se diseñan transductores que
se utilizara un par de cristales Rx y Tx en cada permiten convertir pulsos eléctricos de alta
extremo de la plataforma (derecha e izquierda), de frecuencia en una onda sonora de la misma
esta forma un tren de pulsos será emitido de forma frecuencia y viceversa. El transductor elegido p para
sincrónica por los dos Tx, y dependiendo del nivell el desarrollo del proyecto es el 400SR160, cuyas
dee inclinaciónn, hacia la a derecha o hacia laa característiccas se obserrvan a continnuación.
izqquierda, el tren de pulssos regresara primero aa
uno de los dos Rx, ya que recorrerá una menor TABLA 2
distancia [3]. Ver Fig. 3. Características del 400SR160
Característica Magnitud Unidad de mediida
Frecuencia de 40 Kilo Hertz
funcionamiento
Voltaje Máximo 20 Volts
(Vrms)
Temperaturaa de -330 80 Graados Celsius
operación
Ángulo de emisión Cónico 25° Grados angulares

Fig. 3. Topología de trabajo
Es de suma importancia mencionar que, cuando
se utiliza un transductor piezoeléctrico, solo se La distancia de cada de cada Rx respecto a la
debe emplear la frecuencia de trabbajo superficie de aapoyo de la plataforma ccuando estaa
recomendadda por eel fabricantte de diccho se encuentraa en perfeecto equilibbrio es dee
transductor, ya que el transductor forma parte del aproximadamente 8cm, por lo que el tren de
mismo circuito oscilador, siendo el cristal el pulsos de 40KHz hará uun recorrido de 16cm,,
elemento quien determina la frecuencia de teniendo presente que la velocidad del sonido es
resonancia,, que a su vez estabiliza la frecuencia de aproximadamente 343m/s a 20ºc, el tiempo de
de las oscilaciones eléctricas. vuelo del tren de pulsos es de 466.47µSeg
aproximadamente [6].
Como se puede obsservar en laa Fig. 2, la
frecuencia de máxima amplitud para el transductor

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