VEHICULO EXPLORADOR PARA EL RECONOCIMIENTO DE ARTEF ACTOS EXPLOSIVOS

JHON EDISON ERAZO DUEÑAS

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIAS

DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA Y AUTOMATICA PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA

FACATATIVA CUNDINAMARCA 2009

VEHICULO EXPLORADOR PARA EL RECONOCIMIENTO DE ARTEF ACTOS EXPLOSIVOS

JHON EDISON ERAZO DUEÑAS

Pasantía para optar al título de Ingeniero electrón ico

Director JUAN CARLOS PERAFAN

Ingeniero Electricista

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIAS

DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA Y AUTOMATICA PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA

FACATATIVA CUNDINAMARCA 2009

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Facatativa, 13 de Agosto de 2009

Nota de aceptación: Aprobada por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Electrónico JUAN CARLOS PERAFAN Director Jurado 1 Jurado 2

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Este proyecto está dedicado a Dios por permitirme llegar tan lejos en mi vida, a mi familia por su apoyo incondicional en todo momento, y a mi novia por su paciencia y comprensión.

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AGRADECIMIENTOS

Al Señor Teniente Coronel Carlos Arturo Rueda Vásquez, por permitirme trabajar con su gloriosa institución, a los Ingenieros Arles Prieto, Gherson Flórez y Juan Carlos Perafán por su experiencia y conocimientos aportados durante el tiempo de vida del proyecto, a la Escuela de Comunicaciones Militares del Ejercito y Tecno Parque Domo Bogotá, por brindarme el apoyo técnico y logístico para el desarrollo del designio y por último a todos los docentes involucrados en mi proceso de aprendizaje de la carrera profesional.

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CONTENIDO

Pág. GLOSARIO 14 RESUMEN 15 INTRODUCCION 16 1. MARCO REFERENCIAL 18 1.1 MARCO HISTORICO 18 1.1.1 Reseña histórica 18 1.2 MARCO TEORICO 20 1.2.1 Robótica 20 1.2.2 Telerobótica 20 1.2.2.1 Tele-operación 21 1.2.2.2 Tele-presencia 21 1.2.3 Transmisiones inalámbricas 21 1.2.3.1 Microondas terrestres 22 1.2.3.2 Microondas por satélite 22 1.2.3.3 Ondas de radio 23 1.2.3.4 Radio frecuencia 23 1.2.3.5 Usos de la radiofrecuencia 24 1.2.4 Motor eléctrico 25 1.2.4.1 Principio de funcionamiento. 25 1.2.4.2 Motores de corriente continúa 27

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1.2.5 Modulación por ancho de pulso 28 1.2.5.1 Parámetros importantes 29 1.2.5.2 Aplicaciones 29 1.2.6 Microcontrolador 30 1.2.6.1 Microcontrolador PIC 30 1.2.6.2 Juego de instrucciones y entorno de programación 31 1.2.6.3 Programación del PIC 32 1.2.7 Palanca de mando 33 1.2.8 Locomoción en robots 33 1.2.8.1 Robots fijos 33 1.2.8.2 Robots con patas 34 1.2.8.3 Robots con ruedas 34 1.2.8.4 Diseño de ruedas 35 1.2.8.4.1 Diferencial. 35 1.2.8.4.2 Sincronizado 35 1.2.8.4.3 Triciclo y coche 36 2. INGENIERIA DEL PROYECTO 37 2.1 INTRODUCCION AL DISEÑO INGENIERIL 37 2.1.1 Enfoque 37 2.1.2 Técnicas 37 2.1 3 Matriz de Calidad QFD 37 2.1.3.1 Necesidades del cliente 37

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2.1.3.2 Características técnicas 38 2.1.3.3 Análisis de la matriz de calidad QFD 38 2.1.3.4 Generación de conceptos 40 2.1.3.4.1 Descomposición funcional 40 2.1.3.4.2 Selección de componentes 42 2.1.3.4.2.1 Microcontroladores PIC 43 2.1.3.4.2.2 Motores de DC 43 2.1.3.4.2.3 Baterías 43 2.1.3 Herramientas 44 2.1.4 Filosofía 45 2.1.5 Dinámica 45 2.1.6 Diagrama de bloques 45 2.2 ANALISIS INGENIERIL 47 2.2.1 Etapa de diseño electrónico 48 2.2.1.1 Estación de tele operación 48 2.2.1.1.1 Modulo Joystick 49 2.2.1.1.2 Modulo CPU 50 2.2.1.1.3 Modulo TX/RX 51 2.2.1.1.3.1 Flujo de datos a través de la UART 53 2.2.1.1.3.2 Comunicación serial de los módulos XBee 53 2.2.1.1.3.3 Buffer seriales 54 2.2.1.1.3.4 Buffer de recepción serial 55 2.2.1.1.3.5 Control de Flujo por hardware (CTS, Clear To Send) 55

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2.2.1.1.3.6 Buffer de transmisión serial 55 2.2.1.1.3.7 Control de flujo por hardware (RTS, Ready To Send) 55 2.2.1.1.3.8 Modos de trabajo del dispositivo XBee 55 2.2.1.1.3.9 Modo de Trabajo Command o Command Mode 56 2.2.1.1.3.9.1 Modo de Comandos AT 56 2.2.1.1.3.9.2 Principales comandos AT 58 2.2.1.1.3.10 Configuración de los módulos XBee 60 2.2.1.1.3.11 Software X-CTU de Digi 60 2.2.1.1.3.12 Ventajas 61 2.2.1.1.4 Modulo Power 62 2.2.1.1.5 Tele robot 62 2.2.1.1.6 Modulo Movimiento 63 2.2.1.1.7 Modulo CPU 64 2.2.1.1.8 Modulo Power 64 2.2.2 Etapa de diseño mecánico 66 2.2.2.1 Locomoción diferencial 66 2.2.2.2 Orugas 67 2.2.3 Vehículo explorador para el reconocimiento de artefactos 67 Explosivos 3. CONCLUSIONES 68 4. RECOMENDACIONES 70

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LISTA DE CUADROS

Pág. Cuadro 1. Banda del espectro de frecuencia 24 Cuadro 2. Herramientas software 44 Cuadro 3. Herramientas hardware 44 Cuadro 4. Comandos AT especiales 58 Cuadro 5. Comandos AT de networking y seguridad 59 Cuadro 6. Componentes del tele robot 64 Cuadro 7. Partes mecánicas del vehículo explorador 67

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LISTA DE FIGURAS

Pág. Figura 1. Robot Talon 18 Figura 2. Robot mk7 19 Figura 3. Robot Andros 19 Figura 4. Rotor de un motor eléctrico 26 Figura 5. Tipos de motores eléctricos 27 Figura 6. Señal de onda cuadrada de amplitud acotada (ymin,ymax) 28 mostrando el ciclo de trabajo D Figura 7. Esquema de un microcontrolador 31 Figura 8. Joystick analógico 33 Figura 9. Caja negra de la estación de tele operación 40 Figura 10. Caja negra de la estación del tele robot 40 Figura 11. Descomposición funcional estación de tele operación 41 Figura 12. Descomposición funcional del tele robot 42 Figura 13. Estación de tele operación 46 Figura 14. Tele robot 47 Figura 15. Simulación en Proteus de la estación de Teleoperación 48 Figura 16. Montaje en protoboard estación de tele operación 49 Figura 17. Joystick Analógico 49 Figura 18. Diagrama de conexión del Joystick 50 Figura 19. Rango de voltajes del Joystick y Dutty cicle 50

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Figura 20. Microcontrolador PIC18F2550 51 Figura 21. XBee-PRO 900 con conector RPSMA 52 Figura 22. Antena Dipolo 900 MHz articulada con conector RPSMA 52 Figura 23. Sistema de flujo de datos XBee 53 Figura 24. Paquete de trasmisión modulo inalámbrico XBee 54 Figura 25. Diagrama interno del flujo de datos 54 Figura 26. Secuencia para envío de comandos AT y parámetros 57 de configuración Figura 27. Software X-CTU 61 Figura 28: Pack de baterías de 6 Vdc a 1300mAH 62 Figura 29. Simulación en Proteus del tele robot 63 Figura 30. Montaje en protoboarb del tele robot 63 Figura 31. LM25575 Evaluation Board 65 Figura 32. Esquemático LM25575 Evaluation Board 65 Figura 33. Vehículo Explorador Para El Reconocimiento 66 De Artefactos Explosivos

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LISTA DE ANEXOS

Pág. Anexo A. PIC18F2550 74 Anexo B. XBee PRO RF Module 75 Anexo C. Dipolo 900 MHz con conector RPSMA 76 Anexo D. PIC18F2550 77 Anexo E. Diagrama De Flujo Estación De Tele Operación 78 Anexo F. Diagrama De Flujo Tele Robot 79 Anexo G. Banda 80 Anexo H. Barra del brazo 81 Anexo I. Brazo 82 Anexo J. Cuerpo final 83 Anexo K. Eje rueda delantera 84 Anexo L. Eje rueda trasera 85 Anexo M. Rodamiento 86 Anexo N. Rueda del brazo 87 Anexo O. Rueda delantera 88 Anexo P. Rueda trasera 89 Anexo Q. Tapa superior 90 Anexo R. Vehículo Explorador Para El Reconocimiento 91 De Artefactos Explosivos Anexo S. Vehículo Explorador Para El Reconocimiento 92 De Artefactos Explosivos Anexo T. Matriz QFD 93

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GLOSARIO

AEI: Siglas para resumir Artefacto Explosivo Improvisado. Convertidor DC a DC: dispositivo que transforma corriente contínua de una tensión a otra. Suelen ser reguladores de conmutación, dando a su salida una tensión regulada y, la mayoría de las veces con limitación de corriente. Se tiende a utilizar frecuencias de conmutación cada vez más elevadas porque permiten reducir la capacidad de los condensadores, con el consiguiente beneficio de volumen, peso y precio. Digi: Digi International, líder en la red para negocios de dispositivos electrónicos ESCOM: Escuela de Comunicaciones Militares La fuerza: Sinónimo de Ejército Nacional. RISC: Reduced Instruction Set Computer, Computadora con Conjunto de Instrucciones Reducidas. SolidWorks : Programa de diseño asistido por computador para modelado mecánico 3D que corre bajo el sistema operativo Microsoft Windows y es desarrollado en la actualidad por SolidWorks Corp. Teatro de operaciones: Término utilizado por el Ejército Nacional para las área donde se desarrollan operaciones militares. Transceiver de datos: es un transmisor/receptor de señales de radio frecuencia (RF), que sirve para conectar aparatos por vía inalámbrica en la presente aplicación. XBee: Modulo inalámbrico RF, producido por Digi. Xtend: Modulo inalámbrico RF, producido por Digi y con mayores alcance que los XBee.

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RESUMEN

En el presente proyecto se ha desarrollado un dispositivo para tareas de exploración en zonas con amenazas de AEI, evitando de esta forma arriesgar la integridad física de los hombres de los grupos antiexplosivos pertenecientes al Ejército Nacional. El dispositivo consiste en un vehículo terrestre radio controlado, con una plataforma robótica fácil de operar y con adaptaciones tecnológicas de fácil adquisicion en el mercado colombiano. Este proyecto es posible gracias a la sinergia de los conocimientos de las diferentes áreas de la ingeniería como la electrónica, mecánica, control, telecomunicaciones, programación, etc. Lo cual permite dar como resultado la solución a un problema de seguridad presente en el Ejército Nacional.

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INTRODUCCION

Una de las formas más antiguas de hacer daño al Ejército y a la población durante varios años por parte de los grupos al margen de la ley y la delincuencia común, ha consistido en ataques con explosivos mimetizados en lugares públicos o en las rutas de movilización de las tropas, lo cual ha generado la formación de grupos antiexplosivos por parte del Ejecito, contribuyendo enormemente a la producción de resultados positivos en materia operacional, en la desactivación de minas y Artefacto Explosivo Improvisado (AEI). Actualmente, el Ejército posee algunos dispositivos que pueden ser controlados remotamente para realizar tareas de exploración, como lo son el Mk7, y el Talon, los cuales no cubren dicha función en su totalidad debido a problemas tales como: dimensiones, geometría, y costos de adquisición, dando paso a situaciones donde se arriesga la vida de sus hombres para desvirtuar la presencia de dichos siniestros, que en algunos casos termina en tragedia, permitiendo plantear las siguientes incógnitas: ¿Por qué poner en riesgo la vida de un hombre, cuando en su lugar se puede disponer de un robot? y ¿Es posible que el Ejercito Nacional pueda diseñar e implementar este tipo de robots? Actualmente, la tecnología está a la vanguardia de los conflictos armados, esto se puede observar en los diversos estudios que se han realizado para generar dispositivos controlados en forma remota, que permitan realizar tareas de exploración o vigilancia; pensando siempre en el bienestar de las tropas. Al ofrecer estos diseños tan altas ventajas en el teatro de operaciones, el Ejército Nacional a través de la Escuela de Comunicaciones Militares ha optado por diseñar un sistema electromecánico para la exploración de zonas con amenaza de artefactos explosivos (vehículo explorador), radio controlado, que soporte las condiciones del área de combate y sea fácil de operar con un mínimo entrenamiento. Este proyecto se ha dividido en 3 etapas: diseño electrónico, mecánico y por último la adquisición de accesorios tales como cámaras, armas, brazos robóticos, etc. A raíz de lo anteriormente planteado se realizó un estudio de los equipos que actualmente posee la fuerza para conocer su plataforma tecnológica y poder generar el diseño de un dispositivo que pueda ser controlado de forma remota a distancias mayores de 500 metros dando paso a seguir a la búsqueda y selección en el mercado de componentes, herramientas, y conceptos necesarios para llevar a feliz término este diseño. Como paso final poder simular y probar el funcionamiento en forma individual y posteriormente colectiva de cada uno de los subsistemas del vehículo explorador.

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Para el proyecto se sigue la metodología de diseño concurrente, la cual permitirá un mayor enfoque en los aspectos relevantes y entregará como resultado un prototipo apropiado para solucionar la problemática antes expuesta, haciendo uso de todos los conocimientos adquiridos en el área de electrónica durante el transcurso de la carrera profesional, apoyándolos con la información encontrada en el proceso de desarrollo de este mismo. Ahora, de los resultados obtenidos del diseño se puede decir que el proyecto es:

• Viable, porque se puede perpetrar con los medios y recursos disponibles en el mercado.

• Factible, en cuanto a los aspectos económicos y funcionales.

• Eficiente, en relación a beneficio-costo y operatividad.

• Flexible, a cambios y mejoras en el diseño.

• Satisfactorio, ya que cubre una necesidad que se está presentando en el ejercito.

El ejército nacional con el desarrollo de estos dispositivos busca estar a la vanguardia en la lucha contra el terrorismo y la minimización de costos en materia prima para el conflicto armado.

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1. MARCO REFERENCIAL 1.1 MARCO HISTORICO 1.1.1 Reseña histórica. A nivel local y nacional el desarrollo de este tipo de dispositivos es bajo, pero debido a las necesidades inherentes al conflicto interno colombiano, en especial por los AEI, implantados en todo lugar por los grupos narcoterroristas, se ha obligado a las fuerzas de seguridad de Colombia a desarrollar escuadrones especializados en la detección, desactivación o destrucción de explosivos, entre estos encontramos los escuadrones Anti Explosivos de la Policía Nacional que poseen el Robot Andros y el grupo Marte de la escuela de ingenieros del ejército con el Robot Talon y el Mk7. Figura1. Robot Talon

Fuente: Propia. Estos dispositivos han cumplido con éxito algunas misiones que se le han impuesto, ya que no se han presentado pérdidas humanas o de estos mismos, pero en algunas situaciones, estos dispositivos no pueden cumplir en su totalidad sus funciones debido a su geometría y dimensiones, otra razón por la cual estos no pueden ser usados en toda clase de situación es debido a sus costos de adquisición que están alrededor de los $120.000.000 pesos colombianos, he de ahí las principales ventajas del dispositivo a desarrollar en este proyecto.

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Figura 2. Robot mk7

Fuente: Propia.

Figura 3. Robot Andros

Fuente: Llegó la guerra del futuro: van a Irak los primeros soldados robots [en línea]. [Consultado 11 de Octubre de 2008]. Disponible en Internet: http://www.nodo50.org/tortuga/Llego-la-guerra-del-futuro-van-a.html Internacionalmente la participación de estos equipos en la lucha contra el terrorismo y en situaciones de emergencia ha sido de gran importancia, lo cual lo podemos observar en algunos hechos como lo son [9] :

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• Usados por el Pentágono desde 2000, cuando cumplieron su misión con éxito en Bosnia.

• Fueron de gran utilidad en los trabajos de rescate en la zona cero, el vacío de escombros que dejaron las Torres Gemelas tras el 11 de septiembre del 2001.

• Usados en las acciones militares en Afganistán. 1.2 MARCO TEORICO 1.2.1 Robótica. La robótica es la ciencia y la tecnología de los robots, la cual se ocupa del diseño, manufactura y aplicaciones de estos. La robótica combina diversas disciplinas como son: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial y la ingeniería de control y otras áreas importantes como álgebra, los autómatas programables y las máquinas de estados. El término fue acuñado originalmente por Karel Capek con una de sus obras llamada Rossum’s Universal Robots. Obtenida de la palabra checa “robota” que significa servidumbre o trabajo forzado y fue traducida al inglés como “robot”. 1.2.2 Telerobótica. La telerobótica se basa en la técnica y el estudio de robots controlados a distancia mediante una transmisión de datos [11]. Para realizar múltiples tareas los robots necesitan ser programados. Por medio de los sensores, los robots pueden obtener información sobre su entorno, además de transmitirla a un receptor. Cabe decir que esta información también puede ser enviada por un telecontrolador al robot. En la actualidad, la telerobótica tiene multitud de aplicaciones en todos los ámbitos. La telerobótica es el área de la robótica concerniente al control de robots desde la distancia, principalmente usando conexiones wireless (como Wi-Fi, Bluetooth, la Red del Espacio Profundo, y similares), conexiones "ancladas", o a través de Internet. Es una combinación de dos campos importantes, tele-operación y tele-presencia.

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1.2.2.1 Tele-operación. La Teleoperación significa "hacer el trabajo a distancia", aunque "trabajo" puede significar casi cualquier cosa. Además, el término "distancia" es vago: puede referirse a una distancia física, donde el operador está separado del robot por una larga distancia, pero puede también referirse a un cambio de escala, donde por ejemplo en cirugía robótica un cirujano puede usar tecnología de micro-manipulación para dirigir cirugías a nivel microscópico. 1.2.2.2 Tele-presencia. La Telepresencia significa "sentir como si estuvieras en algún otro lugar". Algunas personas tienen una interpretación demasiado técnica de esto, en la que insisten que se debe tener pantallas montadas en cascos para ser telepresencia. Otras personas le dan un significado específico de la tarea, donde la "presencia" exige sentir que se está conectado emocional y socialmente con el mundo remoto, aunque esta sea una interpretación un poco vaga. 1.2.3 Transmisiones inalámbricas. Las Transmisiones inalámbricas o también llamadas medios no guiados llevan a cabo la transmisión y la recepción por medio de antenas. Existen 2 tipos de configuraciones: la direccional y la omnidireccional: La Direccional. Las antenas de emisión y recepción están perfectamente alineadas La Omnidireccional. El diagrama de radiación de la antena es mas disperso pudiendo la señal ser recibida por varias antenas Rangos.

• 2Ghz hasta 40Ghz se denomina microondas.

• 30Mhz hasta 1Ghz se denomina ondas de radio.

• 3*10-11 hasta 2*10+14 MHz se denomina infrarrojos.

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1.2.3.1 Microondas terrestres. Estas utilizan una antena de tipo parabólico, con un tamaño de 3 metros de diámetro, debe estar fijada rígidamente y debe estar alineada con la antena receptora. Aplicaciones.

• El uso principal es en los servicios de telecomunicaciones de larga distancia.

• También se utiliza en enlaces punto a punto a cortas distancias entre edificios.

• Características de transmisión: su banda de frecuencia está comprendida

entre 2 y 40 GHz.

• En esta transmisión también se da la atenuación. 1.2.3.2 Microondas por satélite. Un satélite de comunicaciones es esencialmente una estación que retransmite microondas. El satélite recibe la señal de una banda de frecuencia, la amplifica o repite y posteriormente la retransmite en otra banda de frecuencia. Para que este satélite funcione con eficacia generalmente se exige que se mantenga en una órbita geoestacionaria. Debe existir una separación prudente entre satélites para que no existan interferencias Aplicaciones.

• La difusión de televisión

• La transmisión telefónica a larga distancia

• Las redes privadas Características de transmisión.

• El rango de frecuencia óptimo para la transmisión vía satélite está comprendida entre 1 y 10 GHz

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• En esta transmisión existe un retardo de propagación de una estación a otra pasando por un satélite.

• Los satélites con microondas son un medio para aplicaciones multidestino. 1.2.3.3 Ondas de radio. Estas ondas son omnidireccionales, estas ondas no necesitan antenas parabólicas, tampoco necesitan que las antenas estén fijadas rígidamente. Aplicaciones. Cubre lo que es la radio comercial FM así como televisión UHF y VHF Se utiliza para una serie de aplicaciones de redes de datos Características de transmisión.

• El rango de frecuencia está comprendida entre 1Mhz y 1Ghz.

• Tiene la ionósfera transparente para ondas con frecuencia superiores a 30 MHz

• Existe interferencias por multitrayectorias. 1.2.3.4 Radio frecuencia. El término radiofrecuencia, también denominado espectro de radiofrecuencia o RF, se aplica a la porción menos energética del espectro electromagnético, situada entre unos 3 Hz y unos 300 GHz. Las ondas electromagnéticas de esta región del espectro se pueden transmitir aplicando la corriente alterna originada en un generador a una antena. La radiofrecuencia se puede dividir en las siguientes bandas como se puede observar en la Tabla 1. A partir de 1 GHz las bandas entran dentro del espectro de las microondas. Por encima de 300 GHz la absorción de la radiación electromagnética por la atmósfera terrestre es tan alta que la atmósfera se vuelve opaca a ella, hasta que, en los denominados rangos de frecuencia infrarrojos y ópticos, vuelve de nuevo a ser transparente. Las bandas ELF, SLF, ULF y VLF comparten el espectro de la AF (audiofrecuencia), que se encuentra entre 20 y 20000 Hz aproximadamente. Sin embargo, éstas se tratan de ondas de presión, como el sonido, por lo que se

desplazan a la velocidad del sonido sobre un medio material. Mientras que las ondas de radiofrecuencia, al ser ondas electromagnéticas,velocidad de la luz y sin necesidad de un medio material. Cuadro 1. Banda del espectro de frecuencia

Fuente: Comunicaciones inalámbricas [en línea]. Florida: Wikipedia la enciclopedia libre. [Consultado 11 de octubre de 2008]. Disponible en Internet: http://es.wikipedia.org/wiki/Comunicaci%C3%B3n_inal%C3%A1mbrica Los conectores eléctricos diseñados para trabajar con frecuencias de radio se conocen como conectores RF. RF también es el nombre del conector estándar de audio/video, también conocido como 1.2.3.5 Usos de la radiofrecuencia.naval, para el envío de mensajes en código Morse entre los buques y tierra o entre buques. Actualmente, la radio toma muchas otras formas, incluyendcomunicaciones móviles de todo tipo, así como la radiodifusión.

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desplazan a la velocidad del sonido sobre un medio material. Mientras que las ondas de radiofrecuencia, al ser ondas electromagnéticas,velocidad de la luz y sin necesidad de un medio material.

Banda del espectro de frecuencia

Comunicaciones inalámbricas [en línea]. Florida: Wikipedia la

enciclopedia libre. [Consultado 11 de octubre de 2008]. Disponible en Internet: http://es.wikipedia.org/wiki/Comunicaci%C3%B3n_inal%C3%A1mbrica

Los conectores eléctricos diseñados para trabajar con frecuencias de radio se conocen como conectores RF. RF también es el nombre del conector estándar de audio/video, también conocido como BNC (BayoNet Connector).

Usos de la radiofrecuencia. Uno de sus primeros usos fue en el ámbito naval, para el envío de mensajes en código Morse entre los buques y tierra o entre

Actualmente, la radio toma muchas otras formas, incluyendcomunicaciones móviles de todo tipo, así como la radiodifusión.

desplazan a la velocidad del sonido sobre un medio material. Mientras que las ondas de radiofrecuencia, al ser ondas electromagnéticas, se desplazan a la

Comunicaciones inalámbricas [en línea]. Florida: Wikipedia la enciclopedia libre. [Consultado 11 de octubre de 2008]. Disponible en Internet: http://es.wikipedia.org/wiki/Comunicaci%C3%B3n_inal%C3%A1mbrica

Los conectores eléctricos diseñados para trabajar con frecuencias de radio se conocen como conectores RF. RF también es el nombre del conector estándar de

BNC (BayoNet Connector).

Uno de sus primeros usos fue en el ámbito naval, para el envío de mensajes en código Morse entre los buques y tierra o entre

Actualmente, la radio toma muchas otras formas, incluyendo redes inalámbricas, comunicaciones móviles de todo tipo, así como la radiodifusión.

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Antes de la llegada de la televisión, la radiodifusión comercial incluía no solo noticias y música, sino dramas, comedias, shows de variedades, concursos y muchas otras formas de entretenimiento, siendo la radio el único medio de representación dramática que solamente utilizaba el sonido. Otros usos de la radio son:

• Audio

• Telefonía

• Vídeo

• Navegación

• Radar

• Servicios de emergencia

• Transmisión de datos por radio digital

• Calentamiento

• Fuerza mecánica 1.2.4 Motor eléctrico. Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, es decir, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. 1.2.4.1 Principio de funcionamiento. Los motores de corriente alterna y los motores de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el cual circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético. El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas,

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que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el estator, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor. Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente eléctrica por un conductor se produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha. Figura 4. Rotor de un motor eléctrico

Fuente: Motor Eléctrico [en línea]. Florida: Wikipedia la enciclopedia libre [Consultado 17 de abril de 2009]. Disponible en Internet: http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctrico En diversas circunstancias presenta muchas ventajas respecto a los motores de combustión:

• A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos.

• Se pueden construir de cualquier tamaño.

• Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante.

• Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75%, aumentando el mismo a medida que se incrementa la potencia de la máquina).

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• Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generación de energía eléctrica de la mayoría de las redes de suministro se emiten contaminantes.

1.2.4.2 Motores de corriente continúa. Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén conectados, en:

• Motor serie.

• Motor compound.

• Motor shunt.

• Motor eléctrico sin escobillas Figura 5. Tipos de motores eléctricos

Fuente: Motor Eléctrico [en línea]. Florida: Wikipedia la enciclopedia libre [Consultado 17 de abril de 2009]. Disponible en Internet: http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9ctrico Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en electrónica:

• Motor paso a paso

• Servomotor

• Motor sin núcleo

1.2.5 Modulación por ancho de pulso(MAP o PWM, siglas del inglés energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una sinusoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. Figura 6. Señal de ciclo de trabajo D

Fuente: Modulación por Ancho de Pulso [en línea]. Florida: Wikipedia la enciclopedia libre [Consultado 17 de abril de 2009]. Disponible en Internet: http://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de_pulsos El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte posien relación con el período,

D es el ciclo de trabajo es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso)T es el período de la función La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y

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Motor sin núcleo

Modulación por ancho de pulso . La modulación por ancho de pulsoso PWM, siglas del inglés Pulse-Width Modulation) de una señal o fuente de

energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una sinusoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad

envía a una carga.

Señal de onda cuadrada de amplitud acotada (

Modulación por Ancho de Pulso [en línea]. Florida: Wikipedia la enciclopedia libre [Consultado 17 de abril de 2009]. Disponible en Internet: http://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de_pulsos

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte posien relación con el período, expresado matemáticamente:

es el ciclo de trabajo es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso)es el período de la función

La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un

modulación por ancho de pulsos ) de una señal o fuente de

energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una sinusoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad

acotada (ymin,ymax) mostrando el

Modulación por Ancho de Pulso [en línea]. Florida: Wikipedia la enciclopedia libre [Consultado 17 de abril de 2009]. Disponible en Internet: http://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de_pulsos

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva

es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso)

La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un una salida. Una de las entradas se conecta a un

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oscilador de onda triangular, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal triangular, y el ciclo de trabajo está en función de la portadora. La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Éstas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación. 1.2.5.1 Parámetros importantes. Algunos parámetros importantes de un PWM son:

• La relación de amplitudes entre la señal portadora y la moduladora, siendo recomendable que la última no supere el valor pico de la portadora y esté centrada en el valor medio de ésta.

• La relación de frecuencias, donde en general se recomienda que la relación entre la frecuencia de la portadora y la de señal sea de 10 a 1.

1.2.5.2 Aplicaciones. En la actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa la modulación PWM, además de otros muy particulares para lograr circuitos funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones. Se distinguen por fabricar este tipo de integrados compañías como Texas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y algunas otras más. En los motores, la modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro, manteniendo el par constante y suponiendo un no desaprovechamiento de la energía eléctrica, esta técnica se utiliza tanto en corriente continua como en alterna. Otros sistemas para regular la velocidad modifican la tensión eléctrica, con lo que disminuye el par motor; o interponen una resistencia eléctrica, con lo que se pierde energía en forma de calor en esta resistencia. Otra forma de regular el giro del motor es variando el tiempo entre pulsos de duración constante, lo que se llama modulación por frecuencia de pulsos.

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La modulación por ancho de pulsos también se usa para controlar servomotores, los cuales modifican su posición de acuerdo al ancho del pulso enviado cada un cierto período que depende de cada servo motor. Esta información puede ser enviada utilizando un microprocesador como el Z80, o un microcontrolador (por ejemplo, un PIC 16F877A de la empresa Microchip). 1.2.6 Microcontrolador. Es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S. 1.2.6.1 Microcontrolador PIC. Los 'PIC' son una familia de microcontroladores tipo RISC fabricados por Microchip Technology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente desarrollado por la división de microelectrónica de General Instruments. Figura 7. Esquema microcontrolador PIC16F877A

Fuente: Pic16f877 [en línea]. [Consultado 10 de febrero de 2009]. Disponible en Internet: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30292c.pdf

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El nombre actual no es un acrónimo. En realidad, el nombre completo es PICmicro, aunque generalmente se utiliza como Peripheral Interface Controller (Controlador de Interfaz Periférico). El PIC original se diseñó para ser usado con la nueva UCP de 16 bits CP16000. Siendo en general una buena UCP, ésta tenía malas prestaciones de E/S, y el PIC de 8 bits se desarrolló en 1975 para mejorar el rendimiento del sistema quitando peso de E/S a la UCP. El PIC utilizaba microcódigo simple almacenado en ROM para realizar estas tareas; y aunque el término no se usaba por aquel entonces, se trata de un diseño RISC que ejecuta una instrucción cada 4 ciclos del oscilador. En 1985, dicha división de microelectrónica de General Instruments se convirtió en una filial y el nuevo propietario canceló casi todos los desarrollos, que para esas fechas la mayoría estaban obsoletos. El PIC, sin embargo, se mejoró con EPROM para conseguir un controlador de canal programable. Hoy en día multitud de PICs vienen con varios periféricos incluidos (módulos de comunicación serie, UARTs, núcleos de control de motores, etc.) y con memoria de programa desde 512 a 32.000 palabras (una palabra corresponde a una instrucción en ensamblador, y puede ser 12, 14 o 16 bits, dependiendo de la familia específica de PICmicro). 1.2.6.2 Juego de instrucciones y entorno de progra mación. El PIC usa un juego de instrucciones tipo RISC, cuyo número puede variar desde 35 para PICs de gama baja a 70 para los de gama alta. Las instrucciones se clasifican entre las que realizan operaciones entre el acumulador y una constante, entre el acumulador y una posición de memoria, instrucciones de condicionamiento y de salto/retorno, implementación de interrupciones y una para pasar a modo de bajo consumo llamada sleep. Microchip proporciona un entorno de desarrollo freeware llamado MPLAB que incluye un simulador software y un ensamblador. Otras empresas desarrollan compiladores C y BASIC. Microchip también vende compiladores para los PICs de gama alta ("C18" para la serie F18 y "C30" para los dsPICs) y se puede descargar una edición para estudiantes del C18 que inhabilita algunas opciones después de un tiempo de evaluación. Para Pascal existe un compilador de código abierto, JAL, lo mismo que PicForth para el lenguaje Forth. GPUTILS es una colección de herramientas distribuidas bajo licencia GNU que incluye ensamblador y enlazador, y funciona en Linux, MacOS y Microsoft Windows. GPSIM es otra herramienta libre que permite simular diversos dispositivos hardware conectados al PIC.

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1.2.6.3 Programación del PIC. Para transferir el código de un ordenador al PIC normalmente se usa un dispositivo llamado programador. La mayoría de PICs que Microchip distribuye hoy en día incorporan ICSP (In Circuit Serial Programming, programación serie incorporada) o LVP (Low Voltage Programming, programación a bajo voltaje), lo que permite programar el PIC directamente en el circuito destino. Para la ICSP se usan los pines RB6 y RB7 como reloj y datos y el MCLR para activar el modo programación aplicando un voltaje de 13 voltios. Existen muchos programadores de PICs, desde los más simples que dejan al software los detalles de comunicaciones, a los más complejos, que pueden verificar el dispositivo a diversas tensiones de alimentación e implementan en hardware casi todas las funcionalidades. Muchos de estos programadores complejos incluyen ellos mismos PICs preprogramados como interfaz para enviar las órdenes al PIC que se desea programar. Uno de los programadores más simples es el TE20, que utiliza la línea TX del puerto RS232 como alimentación y las líneas DTR y CTS para mandar o recibir datos cuando el microcontrolador está en modo programación. El software de programación puede ser el ICprog, muy común entre la gente que utiliza este tipo de microcontroladores. Se pueden obtener directamente de Microchip muchos programadores/depuradores como:

• PICStart Plus (puerto serie y USB)

• Promate II (puerto serie)

• MPLAB PM3 (puerto serie y USB)

• ICD2 (puerto serie y USB)

• PICKit 1 (USB)

• IC-Prog 1.06B

• PICAT 1.25 (puerto USB2.0 para PICs y Atmel)

• WinPic 800 (puerto paralelo, serie y USB)

• PICKit 2 (USB)

• Terusb1.0

• Eclipse (PICs y AVRs. USB.).

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Además es posible hacer programadores de manera casera. 1.2.7 Palanca de mando. Un joystick (Del inglés Joy=alegría, Stick=palo) o palanca de mando es un dispositivo de control de dos o tres ejes, que se usa desde una computadora o videoconsola hasta un transbordador espacial, aviones, grúas, etc. Figura 8. Joystick analógico.

Fuente: Palanca de juegos [en línea]. [Consultado 1 de diciembre de 2009]. Disponible en Internet: http://kagiva.iespana.es/3ds/atmega/palanca_de_juegos.html Se suele diferenciar entre joysticks digitales (que leen cuatro interruptores encendido/apagado en cruceta situada en la base más sus combinaciones y los botones de acción) y joysticks analógicos (que usan potenciómetros para leer continuamente el estado de cada eje, y además de botones de acción pueden incorporar controles deslizantes), siendo estos últimos más precisos. 1.2.8 Locomoción en robots. Los robots son usados actualmente en distintas facetas profesionales como puede ser la fabricación industrial, la medicina, la seguridad y defensa o la investigación espacial entre otras. Dependiendo de la tarea para la que se destine el robot, puede ser de gran importancia el tipo de movilidad que tenga, pudiendo depender el éxito de dicha tarea de la eficacia con que el robot se desenvuelva en el medio en el que trabaja. 1.2.8.1 Robots fijos. Los robots que no tienen movilidad suelen utilizarse en tareas industriales, especialmente en la producción en cadena. Poseen uno o varios brazos articulados programados para realizar una tarea monótona y periódica, o bien, manipulado mediante control remoto por el operario encargado.

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La desventaja de su inmovilidad en cuanto al desplazamiento es compensada por su precisión en el movimiento del brazo, pudiendo llegar a realizar trabajos delicados como el montaje de circuitos eléctricos o incluso, manejado por un cirujano, operaciones médicas. 1.2.8.2 Robots con patas. Cuando la tarea a la que se destina el robot requiere de movilidad, los creadores de éstos han intentado imitar las distintas formas de desplazamiento de la que la naturaleza ha dotado a los animales, incluidos los humanos. Al dotar de movimiento con patas a un robot, debemos tener en cuenta su posición y velocidad, pero también debemos asegurar que el robot permanezca en equilibrio, usando solamente el movimiento en las articulaciones mediante motores. En robots bípedos, el desplazamiento requiere necesariamente mantener el equilibro en una de las patas mientras la otra se mueve, lo que conlleva una inestabilidad en cada paso. Otra vía que se ha llevado a cabo para intentar mejorar la estabilidad del robot, así como mejorar su agilidad es construirlo de tal forma que su movimiento sea lo más parecido posible al de un humano, es decir, que sea bípedo. Para conseguir esto, los tobillos deben ser móviles y, por tanto, estar dotados de motores que permitan al robot desplazarse y no perder el equilibrio. Los principales problemas que tiene este diseño son la poca velocidad que se puede proporcionar al robot y la gran cantidad de energía que necesita. 1.2.8.3 Robots con ruedas. La principal ventaja por la que se utilizan las ruedas como medio locomotor en un robot, es que éstos son más fáciles de construir. Para un robot que use ruedas, pueda moverse simplemente hay que suministrar energía al eje de las ruedas motrices. Además, con este tipo de locomoción, el robot puede desplazar mayor peso que usando patas. En cuanto a las desventajas, las ruedas no permiten cruzar grandes obstáculos, en concreto, cualquier objeto que tenga más altura que el radio de la rueda, no podrá ser superado por ésta. Al diseñar el robot, se debe decidir cuál va a ser la disposición de las ruedas y cuáles van a ser las motrices, es decir las que proporcionan el movimiento.

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1.2.8.4 Diseño de ruedas. Existen varios diseños de ruedas para elegir cuando se quiere construir una plataforma móvil sobre ruedas: diferencial, sincronizada, triciclo y de coche. 1.2.8.4.1 Diferencial. Tanto desde el punto de vista de la programación como de la construcción, el diseño diferencial es uno de los menos complicados sistemas de locomoción. El robot puede ir recto, girar sobre sí mismo y trazar curvas. Un problema importante es cómo resolver el equilibrio del robot, hay que buscarle un apoyo adicional a las dos ruedas ya existentes, esto se consigue mediante una o dos ruedas de apoyo añadidas en un diseño triangular o romboidal. El diseño triangular puede no ser suficiente dependiendo de la distribución de pesos del robot, y el romboidal puede provocar inadaptación al terreno si éste es irregular lo que puede exigir alguna clase de suspensión. Otra consideración a hacer en este diseño es cómo conseguir que el robot se mueva recto, ya que sus ruedas tienen que girar a la misma velocidad. Cuando los motores encuentran diferentes resistencias, las velocidades de estos varían y el robot girará incluso aún cuando se le haya ajustado inicialmente para que vaya recto. Esto quiere decir que la velocidad debe ser controlada dinámicamente, o sea, debe existir un medio de monitorizar y cambiar la velocidad del motor mientras el robot avanza. De esta manera la simplicidad del diseño queda minimizada por la complejidad del sistema de control de la velocidad; no obstante la reducción de la complejidad mecánica en detrimento de la complejidad de la electrónica y del software es frecuentemente una elección más barata y fiable. 1.2.8.4.2 Sincronizado. En este diseño todas las ruedas (generalmente tres) son tanto de dirección como motrices, las ruedas están enclavadas de tal forma que siempre apuntan en la misma dirección. Para cambiar de dirección el robot gira simultáneamente todas sus ruedas alrededor de un eje vertical, de modo que la dirección del robot cambia, pero su chasis sigue apuntando en la misma dirección que tenía. Si el robot tiene una parte delantera (es asimétrico) presumiblemente donde se concentran sus sensores, se tendrá que arbitrar un procedimiento para que su cuerpo se oriente en la misma dirección que sus ruedas. El diseño sincronizado supera muchas de las dificultades que plantean el diseño diferencial, en triciclo y de coche, pero a costa de una mayor complejidad mecánica.

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1.2.8.4.3 Triciclo y coche. El diseño de coche con sus cuatro ruedas con suspensión, proporciona una buena estabilidad, el diseño en triciclo tiene unas prestaciones similares con la ventaja de ser mecánicamente más simple ya que el coche necesita alguna unión entre las ruedas direccionables. En general en estos dos diseños las ruedas direccionables no son motrices, y no es necesario controlar la velocidad de las ruedas para que el robot se mantenga recto.

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2. INGENIERIA DEL PROYECTO 2.1 INTRODUCCION AL DISEÑO INGENIERIL 2.1.1 Enfoque. En este capítulo se trabajan las diferentes etapas correspondientes al proceso de diseño del dispositivo, haciendo un análisis detallado de la metodología llevada a cabo en cada una de estas, para el cumplimiento de los objetivos planteados en el proyecto. 2.1.2 Técnicas.

• Búsqueda, análisis y selección de información del personal orgánico del ejército y de fuentes confiables externas a la institución.

• Estudio de campo y análisis de estado del arte del proyecto.

• Accesorias personalizadas.

• Capacitación en centros educativos tecnológicos.

• Selección y prueba de los diferentes componentes utilizados en el desarrollo del proyecto.

2.1 3 Matriz de Calidad QFD. La información entregada por los objetivos planteados por la ESCOM, no era la suficiente para formar la matriz de la calidad, por tal razón se hizo una serie de entrevistas al personal orgánico del grupo antiexplosivo Marte de la escuela de ingenieros, ya que ellos son los clientes potenciales de este proyecto. 2.1.3.1 Necesidades del cliente

• Que sea de tamaño moderado en comparación a los ya existentes (Talon, MK7, MP40X)

• Que funcione inalámbricamente

• Que no pese mucho

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• Que posea un tiempo de autonomía de 1 hora y 30 minutos

• Que sea económico (Su implementación no supere los 50 millones de pesos)

• Que sea seguro

• Que sea confiable

• Que sea fácil de operar

• Que el robot pueda hacer frente a casi cualquier terreno (Escombros,

Superficies inclinadas, Escaleras, etc.) 2.1.3.2 Características técnicas

• Batería recargable de 9 Vdc a 1,5 Amp

• Batería recargable de 25 Vdc a 3 Amp

• Dimensiones alrededor de: Alto: 21 cm Largo: 43 cm Ancho: 65 cm

• Transeiver de datos XBee-PRO

• Locomoción diferencial

• Tipo de ruedas: Oruga

• Moto reductor a 24 Vdc

2.1.3.3 Análisis de la matriz de calidad QFD. Este análisis se basa en la información entregada por el QFD (ver anexo T), la cual es importante para el desarrollo del proyecto:

• Los Requerimientos del Cliente (RC) más importantes a los ojos de los clientes son: Que sea de tamaño moderado, Que funcione

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inalámbricamente, Que no pese mucho, Que posea un tiempo de autonomía de 1 hora y 30 minutos, Que sea económico, Que sea seguro, Que sea confiable, Que sea fácil de operar. (EL CLIENTE APUNTA HACIA SU BIENESTAR).

• De la ponderación total para cada Características Técnicas (CT) a las que mayor atención se les debe prestar en el proceso de diseño y desarrollo tecnológico son: Batería recargable de 9 Vdc a 1.5 Amp, Batería recargable de 25 Vdc a 3 Amp, Dimensiones alrededor de: Alto: 21 cm, Largo: 43 cm, Ancho: 65 cm, Transeiver de datos XBee-PRO Distancias > 500, hay que tener en cuenta que estas CT tienen mayor prioridad sobre las otras pero no serán tratadas con exclusividad.

• Del análisis de la competencia observamos que aun somos un poco débiles ante estos, ya que ellos cumplen algunas RC al 100%, pero si se siguen los valores objetivos trazados, obtendremos un mejor producto que se adapte a los RC.

• Hay que tener en cuenta que los cambios o mejoras que se realicen en cada CT, ya que estos pueden afectar otras CT en forma positiva o negativa dependiendo del punto de vista de donde se mire, por ejemplo:

o Si se desea aumentar el tiempo de autonomía del vehículo, esto significa aumentar la capacidad de las baterías en corriente, lo que implica aumentar sus dimensiones y su peso, afectando directamente los RC como Dimensiones moderadas y que no pese mucho.

o Si se desea aumentar las capacidades de los motores del vehículo, esto significa aumentar la capacidad de las baterías en corriente, teniendo el mismo efecto mencionado que el ejemplo anterior.

o Las ruedas tipo oruga son el mejor complemento para la locomoción diferencial, ya que este tipo de rueda puede hacer frente a casi cualquier tipo de terreno.

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2.1.3.4 Generación de conceptos Figura 9. Caja negra de la estación de tele operación

Fuente: Propia. Figura 10. Caja negra de la estación del tele robot

Fuente: Propia. 2.1.3.4.1 Descomposición funcional. Algunos componentes utilizados en el proyecto, son asignados directamente por el centro de investigaciones de la ESCOM, como lo son:

• Joystick Analógico.

• XBee-PRO.

• Tecnología Microcontroladores PIC’s.

INFO RF

CONTROL

HARWARE

ALARMAS TELE ROBOT INFO RF

SEÑAL DE

CONTROL

INFO RF

INFO RF

ALARMAS

ESTACION DE

TELE OPERACION

41

Los demás componentes quedaron a seleccionarse de acuerdo a las necesidades del proyecto, teniendo en cuenta la información entregada por el QFD. Figura 11. Descomposición funcional estación de tele operación

Fuente: Propia. Los componentes que se consideraron para la intervención en cada uno de los módulos son:

• Modulo joystick: Joystick Analógico.

• Modulo cpu: Tecnología microcontroladores PIC.

• Modulo power: Baterías del Ejército o baterías recargables.

• Modulo TX/RX: XBee-PRO.

• Modulo alarmas: diodos Led.

SEÑAL DE

CONTROL

INFO RF

INFO RF

ALARMAS

CPU

POWER

JOYSTICK

TX/RX

ALARMAS

42

Figura 12. Descomposición funcional del tele robot

Fuente: Propia. 1) Modulo movimiento: motor dc. 2) Modulo cpu: Tecnología Microcontroladores PIC. 3) Modulo power: Baterías producidas por el Ejército o baterías recargables. 4) Modulo TX/RX: XBee-PRO. 5) Modulo alarmas: Diodos Led. 2.1.3.4.2 Selección de componentes. Los componentes a seleccionar de acuerdo a la descomposición funcional son:

• Microcontroladores PIC

• Motor DC

• Baterías

INFO RF

CONTROL

HARWARE

ALARMAS

INFO RF

CPU

MOVIMIE

NTO

ALARMAS

POWER

TX/RX

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2.1.3.4.2.1 Microcontroladores PIC. Para la selección de la unidad de procesamiento, de la Estación de tele operación se tuvieron en cuenta los siguientes criterios:

• Que posea USART

• Que posea un conversor A/D de 10 bit

• Que posea timer’s De acuerdo a lo anteriormente planteado, inicialmente se opto trabajar con el microcontrolador PIC16F877A, pero posteriormente se cambio por el PIC18F2550 ya que en el avance del proyecto su capacidad de memoria de programa no dio abasto. Para la selección de la unidad de procesamiento, del Tele robot se tuvieron en cuanta los siguientes criterios:

• Que posea USART.

• Que posea dos módulos de CCP.

• Que posea timer’s. De acuerdo a lo anteriormente planteado, se decidió trabajar con el microcontrolador PIC16F877A, ya que sus características técnicas se acoplan a los criterios de la aplicación, ahora sus demás características (memoria de programa, de datos) serian evaluadas durante el transcurso de vida del proyecto acorde a su desempeño. 2.1.3.4.2.2 Motores de DC. Siguiendo los valores objetivos planteados en el QFD, se decidió trabajar con moto reductores que permiten levantar cargas de peso considerable de pendiendo de la aplicación, gracias a la caja de piñones acoplada al eje del motor. Para este caso se adquirió del mercado, a través de la investigación un par de moto reductores capaces de levantar cargas hasta de 35 Kg (Ver Cuadro 6).

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2.1.3.4.2.3 Baterías. De acuerdo a la información entregada por el QFD, no se puede hacer uso de las baterías que produce el ejército, luego sus dimensiones (largo: 18.5 cm, Alto: 8.5 cm, Ancho: 6.5 cm), peso (1.7 Kg) y al ser desechables, no son adecuadas para cumplir con los RC y los CT propuestos, por tal motivo se decide buscar otro tipo de alimentación en el mercado, asesorándose con uno de los proveedores de baterías del centro de investigaciones expertos en esta área, basados en el consumo de corriente de la Estación de Tele operación (800 mA) y del Tele robot (350 mA). 2.1.4 Herramientas. Las herramientas hardware y software utilizadas en el desarrollo del proyecto se muestran en las cuadro 2 y 3, también se tiene en cuenta como herramienta toda la información consultada durante ciclo de vida del diseño, la cual se especifica en la bibliografía. Cuadro 2. Herramientas software

No. Descripción

1 Eagle Layout 5.6.0

2 Microsoft Office 2007

3 PIC-C 4.057

4 Proteus 7 SP6

6 Soliworks 2007 Fuente: Propia. Cuadro 3. Herramientas hardware

No Descripción 1 Condensadores cerámicos

2 Cristal

3 Diodo Led

4 Puente H L298

5 PC-portátil HP Pavilion dv5-1022la 6 Microcontrolador PIC18F2550

7 Microcontrolador PIC16877A

8 Reguladores de voltaje

9 Peineta

10 Resistencias

11 De multiplexor 4555B

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12 Compuerta lógica 74LS14

13 XBee-PRO 900 extended range module w/ RPSMA

14 Antena Dipolo 900 MHz

6" half wave, (2.1 dBi) articulating, RPSMA connector

15 Pack de Baterías Recargables a 25Voltios a 2500mAmp recargable

16 Motores

17 LM25575EVAL

18 Banda de Transmisión

19 Rodamientos Fuente: Propia. 2.1.5 Filosofía. Este proyecto tiene como fin el desarrollo de un dispositivo tele operado que permita hacer exploraciones a zonas con amenazas de AEI, para preservar la integridad física de los hombres pertenecientes a los diferentes grupos antiexplosivos del Ejército Nacional. 2.1.6 Dinámica. La dinámica a desarrollar en el proyecto será la del PHVA.

• Planear

• Hacer

• Verificar

• Actuar En el orden que se presenta el PHVA, se planearon las ideas y actividades correspondientes, luego se sigue con el hacer que consiste en materializar las ideas, posteriormente se trabaja en la verificar las implementaciones y en el actuar como paso final. 2.1.7 Diagrama de bloques. Para el diseño del proyecto se pone a consideración los diagramas de bloque correspondientes a la estación de tele operación y del tele robot, los cuales facilitaran el entendimiento funcional de estos dos subsistemas.

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Figura 13. Estación de tele operación

Fuente: Propia. La estación de tele operación está conformada por 4 módulos, de la siguiente manera:

• Modulo CPU (PIC18F2550).

• Modulo POWER (Batería de 6 voltios a 1.3 Amp recargable).

• Modulo JOYSTICK (Joystick analógico).

• Modulo TX/RX (XBee Pro).

CPU

POWER

JOYSTICK

TX/RX

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Figura 14. Tele robot

Fuente: Propia. El tele robot está conformado por 4 módulos de las siguiente manera:

• Modulo CPU (PIC16F877).

• Modulo POWER (Batería de 25 voltios a 2.5Amp recargable).

• Modulo Movimiento (Circuito de control sobre los motores).

• Modulo TX/RX (XBee Pro). 2.2 ANALISIS INGENIERIL El presente proyecto se encuentra dividido en dos etapas, las cuales son:

• Etapa de diseño electrónico.

• Etapa de diseño Mecánico.

CPU

MOVIMIENTO

TX/RX

POWER

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A continuación se hará énfasis en cada una de estas etapas, en cuanto a los procesos de diseño, selección y prueba de los componentes necesario para poder llevar estas a feliz término. 2.2.1 Etapa de diseño electrónico. En esta etapa se trabaja toda la parte electrónica del proyecto, desde el diseño hasta la selección y prueba de componentes, como se había mencionado anteriormente. Esta etapa está conformada por los siguientes subsistemas:

• La estación de tele operación (Maestro).

• El tele robot (Esclavo). 2.2.1.1 Estación de tele operación. Es la que permite hacer el control del movimiento de forma remota del tele robot, para su posicionamiento (ver Anexo E) Figura 15. Simulación en Proteus de la estación de Teleoperación

Fuente: Propia.

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Figura 16. Montaje en protoboard estación de tele operación

Fuente: Propia. La estación de tele operación está compuesta por 4 módulos (Ver figura 8), a continuación se dará la explicación de la función y los componentes que intervienen en cada uno de estos módulos. 2.2.1.1.1 Modulo Joystick. Modulo encargado de direccionar y posicionar el tele robot. Está compuesto por un joystick analógico de dos ejes, el cual posee dos potenciómetros de 5KΩ, lo que permite una mayor precisión frente a los Joysticks digitales. Figura 17. Joystick Analógico

Fuente: Propia.

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El Joystick es alimentado con 5 Vdc, la configuración usada con este la podemos observar en la figura 13. La resistencia conectada entre VCC y uno de los pines del Joystick, cumple la función de protección para este mismo. Figura 18. Diagrama de conexión del Joystick

Fuente: Propia. Empleando la configuración de la figura 14 y la alimentación mencionada anteriormente, el Joystick (en posición central) entrega por el pin de OUT una pequeña variación de voltaje entre 2.062 Vdc y 1.996 Vdc, hacia el punto máximo de la izquierda 1.359 Vdc y hacia el punto máximo de la derecha 2.619 Vdc, este rango de voltajes entregado por el Joystick se resume en la figura 14. Figura 19. Rango de voltajes del Joystick y Dutty cicle

Fuente: Propia. 2.2.1.1.2 Modulo CPU. Este modulo es el encargado de procesar las señales proveniente del modulo Joystick y posteriormente entregárselas al modulo TX/RX, para ser enviadas al tele robot.

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El modulo está compuesto por un microcontrolador PIC18F2550 (Ver Anexo A), que es el encargado de convertir las señales analógicas del Joystick en digitales, para su procesamiento y posterior toma de decisiones de acuerdo a lo planteado en su código fuente, este microcontrolador fue escogido por sus características técnicas, resaltando su capacidad de memoria, ya que la pruebas iníciales se realizaron con el microcontrolador PIC16F877A, pero con el avance del proyecto su capacidad de memoria no dio abasto para la aplicación requerida. Figura 20. Microcontrolador PIC18F2550

Fuente: Pic18f2550 [en línea]. [Consultado 10 de febrero de 2009]. Disponible en Internet: http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/P/I/C/1/PIC18F2550. shtml 2.2.1.1.3 Modulo TX/RX. Modulo encargado de establecer y mantener la comunicación inalámbrica entre la estación de tele operación y el tele robot. Está compuesto por un transeivers de datos RF XBee-PRO 900 con conector RPSMA y una antena Dipolo a 900 MHz articulada con conector RPSMA. Las especificaciones técnicas y distribución de pines del XBee-PRO 900 se puede observar en el Anexo B, así como las especificaciones técnicas del Dipolo 900 a MHz se pueden consultar en el Anexo C. Tanto el XBee-PRO 900 como el Dipolo a 900 MHz son productos desarrollados exclusivamente por la empresa Digi International Inc.

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Figura 21. XBee-PRO 900 con conector RPSMA

Fuente: Xbee [en línea]. [Consultado 5 de agosto de 2009]. Disponible en Internet: http://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Zigbee/XBee-900 Manual.pdf Figura 22. Antena Dipolo 900 MHz articulada con conector RPSMA

Fuente: Antena RPSMA [en línea]. [Consultado 5 de agosto de 2009]. Disponible en Internet: www.digi.com Los Módulos RF XBee-PRO interactúan con otros dispositivos a través de un puerto serial asincrónico, lo que les permite comunicarse con cualquier lógica y cualquier voltaje compatible con la UART; o a través de conversores para cualquier dispositivo serial (Por Ejemplo: RS-232 o USB). 2.2.1.1.3.1 Flujo de datos a través de la UART. El dispositivo cuenta con una interfaz UART que puede ser directamente conectada a con otros dispositivos como se muestra en la figura 18.

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Figura 23. Sistema de flujo de datos XBee.

Fuente: Sistema de flujo de datos XBee [en línea]. [Consultado 5 de agosto de 2009]. Disponible en Internet: http://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Zigbee/XBee-900 Manual.pdf 2.2.1.1.3.2 Comunicación serial de los módulos XBee . Los datos entrantes al modulo UART a través del pin 3 (DIN) son una señal serial asíncrona, la cual deberá permanecer en alto cuando no se estén transmitiendo datos. Cada byte de datos consta de un bit de start (bajo), 8 bits de datos (los bits menos significativos van primero) y un bit de parada (alto). En la figura 19 se ilustra la trasmisión serial del numero 31. El modulo UART realiza tareas como temporización y chequeo de pariedad, lo cual es necesario para la comunicación de datos. La comunicación serial entre los módulos XBee depende de la configuración de sus UARTs, ya que esta deben ser compatibles en los siguientes términos: velocidad en baudios, paridad, bit de start, bit de stop, los bits de datos.

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Figura 24. Paquete de trasmisión modulo inalámbrico XBee

Fuente: Paquete de trasmisión modulo inalámbrico XBee [en línea]. [Consultado 5 de agosto de 2009]. Disponible en Internet: http://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Zigbee/XBee-900 Manual.pdf 2.2.1.1.3.3 Buffer seriales. Los módulos XBee-PRO mantienen en los buffer la información serial y RF recibida, en la figura 20 se puede observar Diagrama interno del flujo de datos de estos dispositivos. El buffer serial de recepción colecta los caracteres seriales entrantes y los mantiene hasta que son procesados. El buffer de transmisión colecta los datos recibidos vía RF que serán transmitidos fuera de la UART. Figura 25. Diagrama interno del flujo de datos

Fuente: Diagrama interno del flujo de datos [en línea]. [Consultado 5 de agosto de 2009]. Disponible en Internet: http://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Zigbee/XBee-900 Manual.pdf

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2.2.1.1.3.4 Buffer de recepción serial. Recibe los datos enviados por el host, los cuales son almacenados hasta que puedan ser procesados. Bajo ciertas condiciones el modulo no deberá ser habilitado para procesar datos en el buffer de recepción serial. Si una cantidad grande de datos seriales son enviados al modulo, la bandera CTS deberá ser requerida para evitar el desbordamiento del buffer de recepción serial. 2.2.1.1.3.5 Control de Flujo por hardware ( CTS, Clear To Send). Permite evitar el desbordamiento del búfer de recepción serial, Cuando este se encuentra a 17 bytes de quedar completamente lleno, el módulo XBEE envía una señal CTS (alto) para indicarle al host que suspenda la transmisión de datos, una vez que se dispone de 34 bytes de memoria libres, el dispositivo limpia la señal CTS para que el host pueda seguir enviando datos. 2.2.1.1.3.6 Buffer de transmisión serial. Es el encargado de recibir los datos RF, los cuales son movidos al buffer de transmisión serial y posteriormente enviados al host. Si el buffer de transmisión serial llega a llenarse lo suficiente de los datos RF recibidos, estos no serán movidos al buffer de transmisión y se perderán. 2.2.1.1.3.7 Control de flujo por hardware ( RTS, Ready To Send). Permite hacer el control de flujo de datos RF a través de la línea RTS, la cual encontrándose habilitada, no permite la transmisión de datos al host. 2.2.1.1.3.8 Modos de trabajo del dispositivo XBee. Los módulos XBEE pueden trabajar de cuatro formas diferentes, las cuales son descritas a continuación:

1. En modo IDLE, en esto modo se encuentra todo dispositivo que no se encuentra ni transmitiendo ni recibiendo información, se puede decir que es un modo de espera, en el cuál el dispositivo se encuentra siempre que no esté trabajando en cualquiera de los otros módulos.

2. Modos de Transmisión o Recepción, estos son modos de trabajo para cuando el dispositivo transmite o recibe información, ya sea paquetes RF (transmisión sobre el aire) o cuando se comunica con el host (comunicación serial).

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3. Modo Sleep, los dispositivos pueden ser configurados para dormirse o dejar de trabajar siempre que no tengan nada para transmitir ni tengan datos por recibir, esto ayudará a que los módulos economicen energía.

4. Modo Command, este módulo sirve para configurar ciertos parámetros importantes del dispositivo a través de los comandos AT, este modo de trabajo será estudiado un poco más a fondo a continuación.

2.2.1.1.3.9 Modo de Trabajo Command o Command Mode. Este modo de trabajo sirve para modificar o leer los parámetros propios del módulo RF, cabe resaltar que el dispositivo debe ingresar primero dentro del Modo Comando, un estado en el cuál los caracteres entrantes son interpretados como comandos. Se dispone de dos opciones dentro de este modo: Modo de comandos AT y Modo de Comandos API. 2.2.1.1.3.9.1 Modo de Comandos AT. Para ingresar dentro de esta opción, se deben enviar un secuencia de comandos de tres signos ‘+’ hacia el módulo, esto sería: “+++”. Por defecto, la secuencia para la transición hacia el Modo de Comandos AT sería la siguiente:

1. No enviar caracteres por espacio de un segundo [si el parámetro GT (Guard Time) es igual a 0x3E8].

2. Ingresar tres caracteres más (“+++”) en el lapso de un segundo [si el parámetro CC (Command Sequence Character) es igual a 0x2B].

3. No enviar ningún caracter por espacio de un segundo [si el parámetro GT es igual a 0x3E8].

Todos los parámetros anotados en le secuencia anterior pueden ser modificados para reflejar las preferencias del usuario. La sintaxis usada para enviar comandos AT y parámetros se muestran en la figura 21.

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Figura 26. Secuencia para envío de comandos AT y parámetros de configuración

Fuente: Secuencia para envío de comandos AT [en línea]. [Consultado 5 de agosto de 2009]. Disponible en Internet: http://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Zigbee/XBee-900 Manual.pdf Primero se escribe el prefijo “AT”, a continuación el comando AT propiamente en formato ASCII, luego un espacio más el valor del parámetro de configuración en formato Hexadecimal, y finalmente el comando AT CR o carriage return, el cual indica al módulo que debe devolver una respuesta de confirmación de haber recibido la secuencia mencionada anteriormente. Cabe resaltar que si lo que se desea es leer la configuración del parámetro deseado dentro del módulo, se omitirá el valor hexadecimal de la secuencia. Para modificar los valores de los parámetros que persistan dentro del registro del módulo luego de resetear el mismo, todos los cambios deberán ser guardados en la memoria no volátil del dispositivo, esto se consigue usando el comando WR (Write). De otra forma, todos los parámetros volverán a la última configuración una vez que el dispositivo sea reseteado. El error más frecuente que impide el ingreso al Modo de Comandos AT es la velocidad de transmisión del host, el usuario debe verificar primero que la velocidad de conexión del host sea la misma que la velocidad del módulo, la cual por defecto viene configurada a 9600 baudios. Cuando un comando es enviado hacia el módulo, éste interpretará y ejecutará la orden. Una vez realizada la ejecución exitosa del parámetro, el dispositivo retornará un mensaje de “OK”, caso contrario, el mensaje será de “ERROR”. Para salir del Modo de Comandos AT, se tienen dos posibilidades:

1. Enviar el comando ATCN (Exit Command Mode) [seguido por un Carriage Return].

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2. Si un comando AT no válido es recibido dentro del tiempo especificado por el comando CT (Command Mode Timeout), el módulo retornará automáticamente al Modo Idle.

2.2.1.1.3.9.2 Principales comandos AT. A continuación se enlistarán y explicarán algunos comandos de programación más importantes de los módulos XBEE, la lista completa de comandos AT que soportan dichos elementos se encuentra especificada en el manual de usuario. Cabe destacar que los comandos AT se encuentran divididos en varias categorías, para un mejor entendimiento de los mismos:

• Especiales

• Networking y Seguridad

• Interfaz RF

• Modo Sleep (Bajo Consumo)

• Parámetros I/O

• Diagnóstico Cuadro 4. Comandos AT especiales

Comando AT

Nombre y Descripción

Rango de

Valores

Valor por

Defecto

WR

Write, Escribe todas los parámetros deseados en la memoria no volátil del dispositivo. Una vez que se envía este carácter, no podemos enviar otro comando AT hasta recibir respuesta de confirmación del módulo

* *

RE Restore Defaults, Restaura los parámetros del módulos a los valores por defecto

* *

FR Software Reset, Responde inmediatamente con un OK, luego realiza un reset profundo del dispositivo el cuál toma alrededor de 100ms.

* *

Fuente: Comandos AT especiales [en línea]. [Consultado 5 de agosto de 2009]. Disponible en Internet: http://bieec.epn.edu.ec:8180/dspace/bitstream/123456789/1140/3/T11006%20CAPITULO%203.pdf

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Cuadro 5. Comandos AT de networking y seguridad

Comando AT

Nombre y Descripción

Rango de

Valores

Valor por

Defecto

CH Channel, Define o lee el número del canal usado para transmitir y recibir datos entre módulos RF

0x0B – 0x1A

0x0C (12d)

DH

Destination Address High, Define o lee los 32 bits más altos de la dirección de destino de 64 bits. Combinado con DL, conforman la dirección completa de destino. Para transmitir usando direcciones de 16 bits, este parámetro se coloca a cero mientras el parámetro DL debe ser menor a 0xFFF

0 –0xFFFFFFF 0

DL

Destination Address Low, Define o lee los 32 bits más bajos de la dirección de destino de 64 bits. Combinado con DH, conforman la dirección completa de destino. Para transmitir usando direcciones de 16 bits, este parámetro se coloca a cero mientras el parámetro DL debe ser menor a 0xFFF

0 -0xFFFFFFF 0

MY

16 bit Source Address, Define o lee la dirección de origen de 16 bits del módulo RF. Si este parámetro es seteado con el valor 0xFFFF se deshabilitará la recepción de paquetes con direcciones de 16 bits

0 –0xFFFFFFF 0

SH

Serial Number High, Lee los primeros 32 bits de la dirección única del módulo RF designada por la IEEE

0 –0xFFFFFFF (sólo de lectura)

Valor de fábrica

SL

Serial Number Low, Lee los últimos 32 bits de la dirección única del módulo RF designada por la IEEE.

0 –0xFFFFFFF (sólo de lectura)

Valor de fábrica

Fuente: Comandos AT de networking y seguridad [en línea]. [Consultado 5 de agosto de 2009]. Disponible en Internet: http://bieec.epn.edu.ec:8180/dspace/bitstream/123456789/1140/3/T11006%20CAPITULO%203.pdf 2.2.1.1.3.10 Configuración de los módulos XBee. Existen dos maneras de comunicarse con los módulos RF para cambiar los parámetros de configuración mencionados con anterioridad, de cualquier forma, el dispositivo responderá de la misma manera:

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1. Vía Hyper Terminal (programa propio del sistema operativo Windows), en el cual es posible ingresar al Modo de Operación de Comandos AT del módulo utilizando la sintaxis indicada en la figura 20, adicionalmente se debe hacer uso de la información sobre los comandos AT para configurar los parámetros necesarios para el enlace.

2. Utilizando el software gratuito creado por los fabricantes de los módulos, el cual sirve además para otras situaciones tales como: determinar la versión del software y hardware, ingresar en el modo de comandos AT, chequear la conexión serial entre el host y el dispositivo, entre otras funciones.

2.2.1.1.3.11 Software X-CTU de Digi. X-CTU es un software que provee Digi y que se utiliza para la interfaz y la configuración de los módulos RF XBee. Este programa se encuentra distribuido en cuatro opciones, las cuales son las siguientes:

• Configuraciones del PC: Sirve para configurar los puertos seriales que intervendrán en la comunicación con el módulo RF.

• Opción de prueba de Rango: Donde se puede realizar un test del rango del módulo RF, además presenta una pantalla con los paquetes recibidos y transmitidos.

• Opción Terminal: Usado con el fin de configurar o leer los parámetros del dispositivo RF utilizando para ello comandos AT.

• Opción de Configuración del Modem: Para configurar o leer los parámetros del módulo RF.

Debido a que este programa es de libre circulación y no requiere licencia alguna, en el proyecto se hizo uso del mismo para configurar los parámetros anteriormente descritos, así como la velocidad de comunicación de ambos módulos.

61

Figura 27. Software X-CTU

Fuente: Propia. 2.2.1.1.3.12 Ventajas. A continuación se mencionaran algunas ventajas que ofrece este modulo inalámbrico frente otros, como el X-Tend y derivados de la familia XBee y XBee-PRO:

• Baja Potencia de Consumo: Los Módulos XBee utilizan poca potencia para la transmisión (180 mA-210 mA) y recepción (80 mA). Adicionalmente en el modo ‘slepp’, las corrientes de power-down alcanzan valores inferiores a 10 µA.

• Relación de Precio con Rendimiento: Debido a las innovaciones incluidas en el diseño de los XBee-PRO se obtuvieron beneficios en la calidad final del producto del rango de 2 á 3 veces sobre otros módulos, lo cual ha permitido mayores extensiones de campo usando pocos dispositivos. Adicionalmente, los Módulos XBee son fáciles de usar y, de allí que, el costo del desarrollo de un sistema de datos se reduzca enormemente.

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• Sensibilidad del Receptor: Los Módulos de Digi son sensibles a potencias de -100 dBm lo que otros no pueden; por eso estos módulos suministran alcances más grandes y confiabilidad en los enlaces inalámbricos. Los Módulos XBee superan a otros módulos de más alto costo, debido en gran parte a que, el incremento de alcance obtenido es logrado con una sensibilidad superior del Receptor.

Al ofrecer el modulo XBee-PRO 900 estas ventajas técnicas y agregándole su fácil adquisición en el mercado colombiano frente a otros módulos se decide abarcar el proyecto con este dispositivo. 2.2.1.1.4 Modulo Power. Modulo encargado de la alimentación de la estación de tele operación. Consiste en un pack de baterías recargables de hidruro metal níquel, con un voltaje de salida de 6 Vdc a 1300 mAH, el cual le permite a la estación de tele operación una autonomía de 3 horas de trabajo a full carga. Figura 28: Pack de baterías de 6 Vdc a 1300mAH

Fuente: Propia. 2.2.1.1.5 Tele robot. Es el que ejecuta las acciones, dependiendo del tipo de información que reciba de la estación de Teleoperación (ver Anexo F). El tele robot, es el que siempre va estar al frente de las operaciones relacionadas con AEI, para conservar la integridad física de los individuos involucrados en este tipo de operaciones militares.

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Está compuesto por 4 módulos (ver figura 9), cabe resaltar que el Modulo TX/RX es el mismo que el de la Estación de Teleoperación, por tal motivo no será mencionado nuevamente. A continuación se dará la explicación de la función y los componentes que intervienen en cada uno de estos módulos. Figura 29. Simulación en Proteus del tele robot

Fuente: Propia. Figura 30. Montaje en protoboarb del tele robot

Fuente: Propia. 2.2.1.1.6 Modulo Movimiento. Es el encargado del movimiento del tele robot y está compuesto por los siguientes elementos:

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Cuadro 6. Componentes del tele robot

No. Nombre Descripción Cantidad

1 Moto Reductor

• Motor de corriente continúa.

• Tensión 24Vdc.

• Peso de 0,40Kg.

• Consumo de corriente sin carga 0,10 Amp.

• Consumo de corriente con carga 0,50 Amp.

• 200 rpm sin carga.

2

2 74ls14 Compuerta lógica Negadora con Smith Triger 1

3 L298 Puente H 1

4 4555B Demultiplexor con las salidas activas en bajo

1

Fuente: Propia. 2.2.1.1.7 Modulo CPU. Este modulo es el encargado de procesar las señales proveniente del modulo TX/RX y posteriormente entregárselas al modulo Movimiento, para que este realice las acciones correspondiente enviadas por la estación de Teleoperación. El modulo está compuesto por un microcontrolador PIC16F877A (ver Anexo D), el cual realiza el control del modulo Movimiento de vehículo, por medio de la lógica de programación planteada en su código fuente, basada en PWM. 2.2.1.1.8 Modulo Power. Modulo encargado de la alimentación del tele robot. Consiste en un pack de baterías recargables con voltaje de salida de 25.9 Vdc a 2500 mAH, y una LM25575 Evaluation Board, la cual consiste en un convertidor dc-dc, en configuración de reductor de voltaje, brindando una salida de 5Vdc a 1,5A, permitiendo una autonomía de 3 horas a full carga.

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Figura 31. LM25575 Evaluation Board

Fuente: LM25575 Evaluation Board [en línea]. [Consultado 12 de agosto de 2009]. Disponible en Internet: http://media.digikey.com/photos/National%20Semi%20Photos/LM25575EVAL.jpg Figura 32. Esquemático LM25575 Evaluation Board

Fuente: LM25575 Evaluation Board [en línea]. [Consultado 12 de agosto de 2009]. Disponible en Internet: http://www.national.com/an/AN/AN-1578.pdf La LM25575 Evaluation Board se usa para separar la alimentación del circuito lógico y la de los motores, para no tener problemas con el ruido que se podría inducir a este.

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2.2.2 Etapa de diseño mecánico. En esta etapa se trabaja toda la parte de diseño mecánico del vehículo. Este diseño se basa en los robots que posee el Ejército Nacional (ver figura 1 y figura 2) y el robot táctico MMP-40X de la empresa The Machine Lab, tomando las características más ventajosas de cada uno de estos (locomoción, orugas, morfologia) y uniéndolas para formar el presente diseño. A continuación se hará una breve descripción del tipo de movimiento, sistema de tracción y de cada una de las partes que intervienen en este diseño Figura 33. Vehículo Explorador Para El Reconocimiento De Artefactos Explosivos

Fuente: Propia. 2.2.2.1 Locomoción diferencial. Tanto desde el punto de vista de la programación como de la construcción, el diseño diferencial es uno de los menos complicados ya que el robot puede ir recto, girar sobre sí mismo y trazar curvas. En este movimiento no existen ruedas directrices, el cambio de dirección se realiza modificando la velocidad relativa de las ruedas a izquierda y derecha, donde cada rueda se controla independientemente. Este tipo de movimiento utiliza una o dos ruedas adicionales para mantener el balance

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2.2.2.2 Orugas. Las orugas se construyen uniendo, mediante una cadena o bandas de caucho las llantas delanteras y traseras, cuyo fin es aumentar la superficie de contacto con el suelo y conseguir una mayor tracción. Las orugas permiten rebasar mayores obstáculos en comparación de las ruedas e incluso permiten subir escaleras. Como desventaja, presenta la gran cantidad de energía que necesita el robot en los giros, el cual se realiza rotando las cadenas en sentidos opuestos, de modo que las fuerzas inversas hacen girar el robot. 2.2.3 Vehículo explorador para el reconocimiento de artefactos explosivos. A continuación se presentaran cada unas de las partes que intervienen en el diseño del dispositivo. Cuadro 7. Partes mecánicas del vehículo explorador

No Nombre Cantidad Anexos 1 BANDA 2 G 2 BARRA DEL BRAZO 2 H 3 BRAZO 2 I 4 CUERPO FINAL 1 J 5 EJE RUEDA DELANTERA 2 K 6 EJE RUEDA TRASERA 2 L 7 RODAMIENTO 6 M 8 RUEDA DEL BRAZO 2 N 9 RUEDA DELANTERA 2 O 10 RUEDA TRASERA 2 P 11 TAPA SUPERIOR 1 Q

Fuente: Propia.

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3. CONCLUSIONES

Con el desarrollo del proyecto se logro diseñar un sistema electromecánico para la exploración de zonas con amenaza de artefactos explosivos, sobre una arquitectura de red maestro/esclavo a partir de una red de subsistemas (Estación de Teleoperación, Tele robot), interconectados entre sí vía RF, arrojando como resultados un diseño optimo, el cual fue producto del estudios de la plataforma tecnológica de los equipos que posee el ejército nacional y de los componentes, herramientas y conceptos necesarios para el desarrollo de este. Se logra diseñar un dispositivo con un alcance de 1 Km en campo abierto y de 120 mts en campo cerrado según las pruebas realizadas, esperando mejores resultados (3 veces los obtenidos) con el uso del dispositivo propuesto en el diseño, pero con los resultados obtenidos logra sobrepasarse los objetivos y expectativas de la ESCOM. La Simulación y prueba en forma individual y colectiva de cada uno de los subsistemas del vehículo explorador durante el proyecto arrojo información valiosa para el diseño propuesto:

• En caso de pérdida del enlace de comunicación entre el maestro y esclavo, el esclavo pasado un tiempo se detiene y queda esperando el restablecimiento de la comunicación con el maestro.

• Debido al ruido que inducen los motores al circuito lógico del tele robot a

través de las líneas de alimentación, se decide usar un convertidor dc-dc para separar estas y solucionar el problema.

Por medio del conocimiento adquirido del funcionamiento de este tipo de dispositivos (robots móviles), se desarrolla una serie de diagramas de flujo, para facilitar el entendimiento de los procesos que realiza cada uno de los subsistemas. Las bandas seleccionadas para el vehículo poseen características especiales debido a las diferentes topologías geográficas que este hará frente (zonas boscosas, escombros, escaleras, superficies empinadas, etc.), las cuales son fabricadas con un caucho corrugado, el cual es dentado por un lado y liso por el otro.

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Se logra entregar simulación y montaje electrónico del vehículo, planos mecánicos de cada una de las partes que intervienen en este y un diseño en 3D del mismo.

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4. RECOMENDACIONES

Se recomienda a la Escuela de Comunicaciones Militares, seguir avante con este proyecto, ya que sus resultados son muy prometedores y viables para el Ejercito Nacional Debido a la complejidad de la dinámica que presentan los robots móviles, se sugiere investigar e intentar implementar un sistema de control de cinemática directa e inversa para hacer control de posición a través de la velocidad para hacer el dispositivo más óptimo.

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ANEXOS

Anexo A. PIC18F2550 1

1 http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en010280 http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/P/I/C/1/PIC18F2550.shtml

75

Anexo B. XBee PRO RF Module 2

2 http://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/Zigbee/XBee-900-Manual.pdf

76

Anexo C. Dipolo 900 MHz con conector RPSMA 3

3 www.digi.com

77

Anexo D. PIC18F2550 4

4 http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en010242 http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30292c.pdf

78

Anexo E. Diagrama De Flujo Estación De Tele Operaci ón

79

Anexo F. Diagrama De Flujo Tele Robot

80

Anexo G. Banda

81

Anexo H. Barra del brazo

82

Anexo I. Brazo

83

Anexo J. Cuerpo final

84

Anexo K. Eje rueda delantera

85

Anexo L. Eje rueda trasera

86

Anexo M. Rodamiento

87

Anexo N. Rueda del brazo

88

Anexo O. Rueda delantera

89

Anexo P. Rueda trasera

90

Anexo Q. Tapa superior

91

Anexo R. Vehículo Explorador Para El Reconocimiento De Artefactos Explosivos

92

Anexo S. Vehículo Explorador Para El Reconocimiento De Artefactos Explosivos

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Anexo T. Matriz QDF