Advantech POD-6552 A2 Manual de usuario

Muntatge i programació d'un robot mòbil amb quatre rodes motrius TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial Especialitat en Electrònica Ind

10 Configuració Ackerman Aquesta configuració, és molt utilitzada en l’industria de l’automòbil. Consisteix en dues rodes posteriors de tracció i du

100 Figura 2.9.2. Imatge de la càmera IP. Connectem aquesta càmera al POE via ethernet, i el POE serà l’encarregat de transmetre les

101 2.9.3. Motors El robot disposa de 4 servomotors del fabricant Robotis aquests motors pertanyen a la sèrie Dynamixel en concret el model RX-64,

102 Figura 2.9.6. Imatge del Dynamixel Wizard. Una vegada trobat el port dels motors, mitjançant també el “Dynamixel Wizard”, podrem m

103 Figura 2.9.7. Imatge de l’administrador de dispositius de Windows. Podem veure que el nostre ordinador l’ha identificat com a COM21

104 Una vegada instal·lat el programa, necessitarem instal·lar un altre programa, que tindrà la funció d’accedir al dispositiu con

105 La primera finestra que s’obre, ens mostra els angles dels 3 eixos de l’acceleròmetre, que ens proporciona el microcontrolador, a partir d’aqu

106 Mitjançant aquestes tres finestres, podem comprobar que l’acceleròmetre que hem col·locat al nsotre robot, funciona correctament. A més

107 Figura 2.9.12. Imatge de la configuració del GPS. Una vegada configurada la connexió amb el GPS, aceptem i veiem el resultat

108 Figura 2.9.13. Valors enviats per el GPS. Com podem veure a la imatge, el GPS ens proporciona dades de forma periòdia i ininter

109 2.10. Manual d’usuari Per arrancar el robot s’ha de presionar l’interruptor selecciónador, a continuació arrancaràn tots els comp

11 Tracció omnidireccional Aquest sistema conté tres rodes directrius i motrius. D’aquesta manera obtenim tres graus de llibertat, per tant p

110 Pel que fa a l’acceleròmetre de 3 eixos i 9 graus de llibertat instal·lat al robot i connectat a la CPU a través d’un USB Mini

111 Una vegada el dispositiu configurat, utilitzant un programa com hyperterminal i connectant-nos al COM 6 a 57600 bits per segon en podr

112 2.11. Pressupost 2.11.1. Pressupost prototip 2.11.1.1. Preu dels components electrònics Referència Descripció Unitats Preu unitari (€) Preu tot

113 2.11.1.2. Preu dels components mecànics Referència Descripció Unitats Preu unitari (€) Preu total (€) - Estructura d’alumini del robot 1 ut. 40

114 2.11.1.3. Preu treballs realitzats Descripció Unitats Preu unitari (€) Preu total (€) Elecció dels components hardware 40 h. 30,00 1200 Disseny

115 Per tant, tindrem de recaptar la quantitat de7,26€ com a mínim per cada venda, d’aquesta manera aconseguim l’amortització del cost

116 2.11.2.2. Preu dels components mecànics Referència Descripció Unitats Preu unitari (€) Preu total (€) - Estructura d’alumini del robot 1 ut. 20

117 2.11.2.3. Preu dels treballs realitzats Els treballs de disseny i programació, ja han estat realitzats en el prototipus, per tant ja no els hau

118 Descripció Preu Total (€) Cost producció una unitat 1.834,62 Cost d’amortització per unitat del prototip 7,26 Beneficis d’un 25% 460,47 IVA 18%

119 3. Conclusions La primera impressió que vaig tenir sobre el projecte va ser la d’un repte, veia el muntatge del robot molt

12 2.5. Robot San Bernardo V3 El robot San Bernardo 3 (SBv3) és un robot teledirigit terrestre, està dotat de quatre rodes amb pneumàtics tot t

120 4. Bibliografia Tipus de robots: http://www.tamps.cinvestav.mx/~mgomez/Odometria/node2.html [6/3/2012] CPU: http://www.advantech.com/products/PC

121 Bateria: http://www.avele.org/index.php?option=com_content&view=article&id=21&Itemid=26 [10/6/2012] http://www.all-battery.com/148vl

122 Annex Degut a la llarga extensió dels datasheets i manuals, he optat per incloure només aquelles parts que he considerat importan

123

124

125

126

127 A 2. Protocol NMEA 0183 Aquest protocol separa els missatges en dos blocs, els missatges d’entrada i els de sortida. Els missatge

128 lletres identificatives de cada tipus de missatge. El diferent contingut del missatge es separarà entre ell mitjançant l’ús de comes. A 2.2.1.

129 A 2.2.4. Activació satèl·lits, GSA En aquest tipus de missatge hi trobarem el mode d’operació, el tipus de fixació utilitzada i e

13 Figura 2.5.2. Imatge de la xapa d’acer inoxidable. Figura 2.5.3. Imatge de la carcassa d’alumini

130 següent: Aquests seran els mínims recomanats per el fabricant, per assegurar-se d’un bon funcionament del dispositiu. En el ca

131 cada missatge i les comandes del missatge han d’estar en majúscules, sí no és així el dispositiu no reconeixerà el missatge. Disposem de 5 coman

132 Posició Pinning 17 En el cas “00” el que estem fent és establir la velocitat de bits per segon de la comunicació UART. Tot

133 A 2.3.5. Missatge d’error El missatge d’error s’envia en resposta d’una comanda no vàlida. El seu format és el següent: $PUNV, ERR, ID,

134 A 3. Característiques router RB 433

135 A 4. Manual instal·lació ràpida de la càmera

136

137

138 A 5. Manual del motor RX-64

139

14 L’electrònica està distribuïda de tal forma que optimitzem al màxim l’espai disponible, és per això, que a la part superior de la placa tenim com

140

141

15 2.6. Arquitectura Hardware 2.6.1. Components hardware El nostre robot, és un robot que rep les nostres ordres per una xarxa local inalàmbrica, i

16 2.6.2. Connexions hardware Tots aquests components van connectats entre ells de la següent forma: Figura 2.6.1. Esquema

17 Tal i com podem observar a l’esquema anterior, el GPS i l’acceleròmetre van connectats a la CPU mitjançant ports USB, els motors el

18 CPU USB SERIAL ETHERNET Memòria PCM-9562 8 USB 2.0 4xRS-232 2xRS-422/485 Gbe x 3 DDR2 667MHz 2GB PCM-9588 6 USB 2.0 4xRS-232 2xRS-422/485 Ether

19 PCM-9590 Core Duo 1.2GHz 533MHz 2MB Intel 915GME+ICH7M Award 4-Mbit POD-6552 Intel ULV Celeron M 600 MHz 400MHz Up to 512KB Intel 852GM + ICH4 Aw

2 Índex 1. Índex general... 2 2. M

20 Figura 2.6.2. Connexions de la CPU PCM-9562 Les especificacions completes de la CPU escollida PCM-9562 són les següents: Processor System CPU I

21 Connector Box header Audio Chipset ALC888 HD Codec, Speaker out, CD-input, Line-in, Line-out, Mic-in Amplifier Max 2.2W/ch Stereo into a 2Ω Load

22 Physical Characteristics Dimensions (L x W) 203 x 146 mm ( 8” x 5.75”) Weight 0.85 kg (1.87 lb) (with Heatsink) Total Height (with cooler + PCB +

23 El propi fabricant també ens informa que la M2-ATX i la M3-ATX tenen unes característiques idèntiques, però es diferencien en

24 Figura 2.6.3. Imatge de les connexions de la M4-ATX Power Input Connectors (bottom, right side) Left Battery negative (GND) Center

25 2.6.3.2.2. Funcionament Aquest convertidor DC-DC ens permet encendre i apagar l’ordinador de forma automàtica mitjançant el connector

26 A les altres dues columnes veiem el Off-delay que ens mostra el que tardarà la M4-ATX després de rebre la senyal d’apagada en enviar aquesta se

27 2.6.3.3. Memòria La nostra CPU per tal de funcionar correctament, necessita una memòria on guardar totes les dades. Per escollir-la hem pensat

28 A continuació comparem les dues sèries per a veure’n les diferències: SSDNow V 200 SSDNow V+ 180 Dispositiu Unitat estat sòlid - intern Unitat e

29 2.6.3.4. Motors El nostre robot és un robot amb un sistema amb tracció a les quatre rodes i amb direcció també a les quatre rodes

3 2.7.1.5. Límits del motor... 72 2.7.1.6. Realització dels paquets...

30 vista podem eliminar el motor RX-24F, ja que per operar, té un rang de voltatge de 9.0 a 12.0V. Els altres tres models en canvi, operen de 12.0 a

31 Tenint en compte que el nostre robot és voluminós i pesat. Per aquest motiu escollim el motor RX-64, ja que amb el RX-28 no aconseguiríem el movi

32 Podem observar que la mida de l’eix a l’extrem del robot és de 48.1mm, però sabent que la roda és esfèrica, hem de mesurar la mida de l’eix en

33 Tal i com veiem, entre els motors els pins s’inverteixen, és per això que s’han de creuar els cables per tal de connectar-los correctament. Co

34 Taula 2.6.10. Comparativa entre diferents models de router. A simple vista, podem observar que hi ha routers que incorporen extres que no ens

35 Figura 2.6.10. Imatge del router RB433UAHL Una vegada escollit el router, només ens falta afegir el sistema de connexió sense fils, que

36 superior a la 802.11b. A més aquest estàndard, és capaç d’operar a 2,4 GHz i a 5GHz, per tant aquest estàndard, és compatible a tots els models a

37 Figura 2.6.12. Imatge de l’antena ACMMCX. 2.6.3.5.1. Configuració Mitjançant la utilització de certs comandos, configurarem el router pe

38 La càmera serà una càmera IP ja que d’aquesta manera, connectant-la al nostre router, aconseguirem que des de qualsevol ordinador només introduin

39 L’empresa M-Bot va escollir el model IQ040SI que captura el doble d’imatges per segon respecte al model IQ041SI, tot i tenir una re

4 A 2.2. Missatges de sortida... 127 A 2.2.1. Data de

40 Aquestes són les característiques que normalment es tenen en compte a l’hora de comprar un GPS. Però en el nostre cas, volem connec

41 Observant el quadre anterior, arribem a la conclusió que podem eliminar el GPS-11067 degut al seu elevat cost respecte dels altres dos

42 Per tal d’aconseguir la connexió USB amb la CPU del robot, necessitarem connectar-hi una targeta d’arrencada bàsica USB FTDI que pro

43 Figura 2.6.17 Imatge de l’antena del GPS. Altres motius pels quals he escollit aquesta antena és que es tracta d’una antena amb un volum molt

44 Un altre tipus de sensor de moviment, és el sensor de gir dels eixos, també molt utilitzat ja que ens mesura els girs que

45 Figura 2.6.21. Combinació dels 3 eixos. Amb aquests 3 sensors controlarem els moviments lineals, els girs i també la direcció. No p

46 Tal i com podem veure el SEN-10125per a obtenir els tres eixos de gir només utilitza un sensor, mentre que els altres dos necessiten la combinaci

47 2.6.3.9. Bateria La bateria per al nostre robot és molt important ja que és la font d’alimentació de tot el robot quan aquest està operant en e

48 - Bateria de níquel-hidrur metàl·lic: aquesta la descartem segut a la capacitat d’auto descàrrega que té, això ocasionaria que

49 Tenint en compte la relació entre la càrrega elèctrica, dimensions, pes i preu, crec que la millor opció és escollir la bateria de 10Ah. Figur

5 2. Memòria descriptiva. 2.1 Objecte del projecte Amb la realització d’aquest projecte es pretén muntar la tercera versió del robot mòbil San Be

50 2.6.3.10. PCB La nostra bateria alimenta a 14,8V però la càmera necessita 48V, per tant necessitarem un convertidor DC-DC que ens proporcioni aqu

51 - CAS 1 (utilització de bateria): és el cas més senzill, després de passar per un fusible, alimentem el motor, la CPU, el router i la càmera pe

52 Tal i com hem vist a l’apartat de l’M4, per arrancar la CPU necessitem que “M4_IGN” estigui sempre connectat, en el moment que li talle

53 Figura 2.6.30. Esquema complert de la PCB. Com veiem a la part de baix de la imatge, hem agrupat les sortides i entrades per tal de

54 2.6.3.11. Interruptor seleccionador L’interruptor seleccionador, serà l’encarregat d’arrancar tot l’equip, l’empresa M-BOT va escollir l’interrup

55 Per arrencar tot l’equip, ho podem fer amb un polsador d’ON/OFF, ja que per a encendre la CPU només ens cal activar l’igni

56 2.6.3.12. Paro d’emergència El paro d’emergència, serà una mesura de seguretat del nostre robot, que desconnectarà l’alimentació d

57 Figura 2.6.36. Imatges de diferents models de ventiladors. Tots aquests tres ventiladors tenen la mateixa mida (40mm x 40mm x

58 El sistema que hem utilitzat, és el següent: Figura 2.6.38. Esquema del tipus de suspensió utilitzat al robot. Tal i com podem veu

59 Aquest és el moviment que realitzarà el sistema de balancins del robot, al trobar-se amb un obstacle la roda del davant de la dret

6 Respecte a la versió San Bernardo V2, cal a dir que a cop d’ull semblen el mateix robot, però en realitat no és així, s’hi han incorporant petites

60 2.6.4. Distribució components 2.6.4.1. Distribució original Com ja he esmentat anteriorment, l’electrònica del robot es troba fixada a una plan

61 Els rectangles que trobem a la xapa d’acer de color gris, són els forats per on passarem els cables per realitzar les connexions entre els comp

62 Aquesta és la distribució original de la part inferior de la placa, però en aquestes vistes, no he mostrat la part de les connexions de

63 Figura 2.6.45. Vista horitzontal distribució hardware inicial. Com podem veure entre la CPU i la carcassa del robot, hi ha una separació molt p

64 2.6.4.3. Modificacions La nova distribució, ha començat per col·locar la CPU a 22mm de la placa d’acer, llavors a sota hem tret la M4, però hem

65 Ens hem vist obligats a adoptar aquesta solució, ja que no hi ha cap altre alternativa possible, i en un principi aquest pin no l’hem

66 24mm i la PCB a una altura de 25mm resolem el problema. La distribució final del robot, des de diferents punts de vista és la següent: Figura 2

67 L’inconvenient més gran d’aquesta distribució, és la proximitat que hi ha entre les connexions del router i les de la M4-ATX. Aques

68 Per controlar el motor RX-64, haurem d’establir la comunicació d’acord amb el protocol del RX-64. El motor RX-64 utilitza un sistema d

69 Valor Instrucció Funció Número de paràmetres 0 x 01 PING No execució. S’utilitza quan el controlador ha de rebre paquets d’estat. 0 0 x 02 READ

7 2.4. Introducció 2.4.1. Història del robot mòbil El terme “robot” va ser conegut l’any 1921 a través de l’obra de teatre “Rossum&apo

70 ÉS la ID del motor RX-64 que envia el paquet d’estat. Indica la longitud del paquet d’estat, el seu valor és el nombre de paràmetres (N) + 2.

71 Adreça (hexadecimal) Nom Descripció Accés Valor inicial (hexadecimal) EEPROM Àrea 0 (0X00) Número de model (L) Byte baix del número de model R 6

72 38 (0X26) Velocitat actual (L) Byte baix de la velocitat actual R - 39 (0X27) Velocitat actual (H) Byte alt de la velocitat actual R - 40 (0X28)

73 28 (0X1C) CW pendent compilació 1 1 254 (0XFE) 29 (0X1D) CCW pendent compilació 1 1 254 (0XFE) 30 (0X1E) Posició desitjada 2 0 1023 (0X3FF) 32 (0

74 Longitud 0 X 04 (sempre serà així, ja que el número de paràmetres sempre és 2) Instrucció 0 X 02 (És l’adreça que correspon a la instrucció de

75 2.7.1.6.4. Acció S’utilitza aquesta instrucció, per a executar la comanda guardada de l’acció del registre d’escriptura. Aquesta comanda és m

76 2.7.1.6.7. Sincronització d’escriptura Amb aquesta instrucció, controlem diversos motors RX-64 simultàniament amb només l’enviament d’un paqu

77 2.7.2. Software de l’acceleròmetre 2.7.2.1. Funcionament L’acceleròmetre que hem incorporat al nostre robot, és el SEN-09623 i disposa de 4

78 Al utilitzar aquest adaptador USB, per tal de que el nostre ordinador pugui reconèixer el sensor, necessitarem instal·lar-hi els drivers necess

79 Figura 2.7.5. Programació del microcontrolador ATmega328. També hem de seleccionar el port sèrie que correspon el nostre accel

8 Actualment el concepte de robòtica inclou els sistemes mòbils autònoms, capaços de sortir per sí mateixos en entorns desconeguts i sense necessi

80 Figura 2.7.6. Imatge del programa Arduino amb el codi a compilar. Ara a través de la icona

81 Figura 2.7.7. Imatge de la visualització dels angles proporcionats per l’acceleròmetre. Podem veure, que el resultat es va actualitza

82 2.7.3.1. Adaptador USB FTDI 232R Per connectar el GPS a la CPU del nostre robot, ho farem mitjançant una connexió USB, és per això que nec

83 Figura 2.8.1. Imatge de l’electrònica del robot SBv3. Figura 2.8.2. Esquema Distribució components.

84 Així aniran distribuïts els diferents components del robot, és molt important col·locar-los de la forma que explicaré, ja que de no ser així, no

85 La distribució, de moment està composta per la memòria, l’acceleròmetre i el GPS: Ara fixarem el POE utilitzant 1 sol cargol de 16mm i una f

86 En aquest moment del muntatge, ja tenim la majoria dels components a sobre de la xapa d’acer: Arribats en aquesta situació, ja podem muntar el co

87 A continuació muntarem les connexions de la part posterior del robot. Els elements que muntarem són els següents: Figura 2.8.4. Esquema c

88 2.8.2. Cablejat Començarem per els cables que ja tenim fets i continuarem per els que hem hagut de fabricar nosaltres. El primer cablejat que

89 Figura 2.8.7. Imatge de les connexions de la CPU. Ara, continuant amb el mateix esquema de la CPU, connectarem el “SAT

9 Configuració diferencial. Aquesta configuració, consta de dues rodes situades en un eix perpendicular a la direcció del robot. Aques

90 Figura 2.8.8. Esquema dels pins del USB Mini-B. Seguint aquesta llegenda, construirem els 2 cables USB Mini-B i passant-los per sota de la

91 Una vegada ja construïts i connectats aquests cables, passarem a les connexions de la PCB. En el disseny de la nostra PCB, ja hi hem in

92 Els cables que sortiran de la PCB, passaran pel forat de la xapa d’acer “E” i arribaran fins la M4 que es troba just sota seu. Ara realitzarem

93 Ara connectarem la connexió del carregador de la bateria, en concret el BULGIN - PX0429 de 3 vies: Figura 2.8.12. Imatge del connec

94 Soldarem l’alimentació dels motors que prové de la PCB als dos pins de l’esquerra, i a la dreta hi soldarem el TX+ i el TX- referents a

95 Arribats en aquest punt, el robot, ja es troba totalment cablejat i encaixa perfectament l’electrònica a dins de la carcassa d’alumini, tal i c

96 Pels motors utilitzarem un connector acotat de 4 vies, aquest anirà roscat ja que mentre el robot funcioni, estarà connectat i amb

97 Figura 2.8.20. Esquema de les connexions dels motors en sèrie. És molt important tenir sempre present la polaritat invertida, ja que s

98 Diagrama de Gantt, utilitzant el número d’activitat de la taula d’hores de muntatge: Figura 2.8.21. Diagrama de Gantt del muntatge. Les activitat

99 Figura 2.9.1. Imatge de la configuració de la BIOS. Nosaltres, en un principi utilitzarem la configuració per defecte de la BIOS, però per a c