Download 9 Diseño e Implementación de un Robot Móvil Controlado con Chip

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN ROBOT MOVIL CONTROLADO
CON CHIP ADN EN FPGA
D. Vargas+, D. Perlaza+, A. Delgado*
+
Estudiantes, * Profesor Asociado
{dcvargasa, daperlazag}@unal.edu.co, [email protected]
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Universidad Nacional de Colombia, Bogotá
RESUMEN
Este artículo presenta una aplicación de los chips ADN
emulados electrónicamente en FPGA. El chip ADN
emulado se utiliza para controlar un robot móvil que
navega evitando obstáculos, la máquina cuenta con cuatro
sensores y dos servomotores.
1. INTRODUCCION
La robótica es un campo de gran importancia dentro de la
tecnología moderna. El buen entendimiento y el desarrollo
de nuevas aplicaciones en robótica implican la integración
de diversas disciplinas, entre las que se destacan la
Ingeniería Electrónica, la Ingeniería Mecánica y la
Ingeniería de Sistemas [1], algunos han propuesto una
nueva disciplina con está integración llamada Ingeniería
Mecatrónica.
Generalmente, los robots móviles son clasificados
dentro de alguna de las categorías de la figura 1.
Fig. 1.-Clasificación de los robots móviles.
Por otra parte, la necesidad de una tecnología que
permita un procesamiento masivo de información hace
que se mezclen áreas de estudio tan diversas como la
biología y la electrónica, beneficiándose la biología de la
velocidad de procesamiento de la electrónica, y la
electrónica de una valiosa ampliación en su campo de
aplicaciones llegando a generar nuevos modelos
bioinspirados.
En los organismos multicelulares la característica más
impresionante es que cada célula contiene la descripción
completa del organismo (genoma) en su ADN. Como
consecuencia, una célula puede potencialmente asumir
cualquiera de las funciones del organismo.
Es por esto que a partir del estudio de la célula de un
organismo y específicamente de su ADN, el cual contiene
la información que lo caracteriza, se ha propuesto un chip
electrónico de ADN que se basa en la emulación del chip
ADN biológico, adaptándolo de tal forma que cumple su
papel de memoria asociativa.
Este tipo de funcionamiento es el que nos permite, en
este artículo, generar una aplicación práctica del chip de
ADN en sistemas mecatrónicos como los robots móviles.
En particular el chip ADN emulado electrónicamente
opera como memoria asociativa tomando las lecturas de
los sensores y generando comportamientos para un robot
móvil.
El objetivo de este artículo es mostrar el desarrollo de
un robot móvil, terrestre con ruedas, diseñado para evadir
obstáculos de acuerdo a una base de reglas implementadas
en un chip ADN emulado en un FPGA.
El articulo se divide en cinco secciones. En la primera
se describe la estructura física del robot construido, en la
segunda se presenta el esquema general de control
electrónico. La tercera sección muestra el funcionamiento
de los sensores de proximidad infrarrojos utilizados para
la detección de obstáculos en la trayectoria del robot, la
cuarta describe brevemente el principio de operación de
los chips ADN biológicos y la forma como fueron
emulados electrónicamente en un FPGA. En la última
sección se muestra el control de los servomotores, los
cuales proveen la tracción para el movimiento del robot.
2. DESCRIPCION DE LA ESTRUCTURA
MECANICA
La estructura mecánica del robot consta de dos
plataformas circulares en acrílico transparente de espesor
3mm y diámetro 16cm. La primera plataforma constituye
la base del robot y sirve de soporte para los dos
servomotores, la batería y la tarjeta electrónica que
contiene los sensores. La segunda plataforma es sostenida
por tres varillas en aluminio de 8cm de largo y es utilizada
para colocar la tarjeta electrónica principal.
Debido a la necesidad de tener una buena movilidad
sobre la superficie en la que se desplaza el robot, se utiliza
un sistema con dos ruedas motorizadas a cada lado de la
placa inferior, accionadas por dos servomotores, y una
rueda libre de apoyo en la parte trasera.
El sistema de control electrónico consta de los siguientes
elementos :
Cuatro sensores de proximidad infrarrojos los cuales
detectan la presencia de obstáculos.
Un chip ADN emulado en un FPGA el cuál recibe las
señales suministradas por los sensores y genera el
comportamiento que debe ejecutar el robot.
Un módulo de control PWM (modulación por ancho
de pulso), también implementado sobre el FPGA, que
se encarga de generar las señales de control para cada
uno de los dos servomotores a partir del
comportamiento producido en el chip ADN.
Un sistema codificador que permite conocer la
posición de las ruedas.
4. SENSORES DE PROXIMIDAD INFRARROJOS
Fig. 2.- Estructura física del robot, note los servomotores,
las ruedas y el codificador.
3. DISEÑO ELECTRONICO DEL SISTEMA DE
CONTROL DEL ROBOT
Para que el robot desempeñe adecuadamente la función de
evadir obstáculos se diseñó e implementó el sistema de
control electrónico que se muestra en la figura 3.
Para determinar la presencia de obstáculos frente al robot
se construyó un conjunto de cuatro sensores infrarrojos
conformados por un diodo y un fototransistor.
El funcionamiento del circuito se basa en emitir a
través del diodo una ráfaga de señales luminosas
infrarrojas las cuales al rebotar contra un objeto cercano
se reciben por el fototransistor. Al ser recibidas el sistema
detecta proximidad y envía un nivel lógico bajo.
Para evitar que la radiación infrarroja del ambiente
interfiera con el desempeño de los sensores se utilizó un
generador - decodificador de tonos, el cual produce un
tren de pulsos que es enviado al diodo infrarrojo y sirve
como filtro y decodificador para la señal recibida por el
fototransistor.
La figura 4 muestra la disposición de los cuatro
sensores en el robot (S1 y S2 están localizados a diferentes
alturas), la cual garantiza la detección de obstáculos que
se encuentren en la trayectoria del robot.
Fig. 4.- Disposición de los sensores de proximidad.
Fig.3.- Diagrama de bloques general.
Se realizaron pruebas de laboratorio para determinar
la respuesta de cada sensor ante obstáculos de distintos
colores, obteniendo los resultados que se muestran en la
Tabla I. Note que la reflectividad de una superficie blanca
permite alcanzar mayor distancia con el sensor.
TABLA I. Distancia de detección de obstáculos
COLOR
Blanco
Azul claro
Rojo
Rosado
Amarillo
Azul oscuro
Verde
Negro
Gris
DISTANCIA [cm.]
19
18
16
16
15
14
13
12
10
ADN biológico [4] para la implementación de la base de
reglas que rigen el comportamiento del robot ante la
presencia de obstáculos en su entorno.
En la figura 5 se presenta el esquema bajo el cual se
emuló el chip ADN. El registro sensores corresponde al
conjunto de señales provenientes de los sensores IR y es
análogo a las cadenas blanco del chip biológico, los
registros prueba corresponden a las cadenas de prueba y
permiten realizar la hibridación, XOR, con el registro de
entrada. A los resultados generados por la función XOR
se aplica la función AND, si se produce un estado lógico
alto ha ocurrido la hibridación y se activa una bandera.
5. CHIP ADN
Un chip de ADN es un arreglo de cadenas naturales
sencillas de ADN fijas a un sustrato sólido como vidrio o
silicio. Cada sitio del arreglo contiene miles de estas
cadenas de prueba con la misma secuencia, la secuencia
entre sitios cambia. Cuando el arreglo se fabrica
sintetizando las cadenas de ADN con un procedimiento
similar a la fotolitografía el dispositivo final se denomina
chip ADN.
Después de fabricado el chip se incuba con cadenas
sencillas de ADN marcadas con un químico fluorescente
denominadas cadenas blanco, si dos cadenas son
complementarias en el sentido Watson - Crick se forma
una hélice de ADN fluorescente fija al sustrato. Es
importante recordar que las bases A - T y C - G se unen
con enlaces de hidrógeno de manera natural, esto se
conoce como el complemento Watson - Crick. El proceso
mediante el cual dos cadenas de ADN complementarias se
unen formando una hélice o cadena doble denomina
hibridación.
Finalizado el tiempo de incubación se detectan las
hélices de ADN con un escáner que utiliza luz UV para
excitar el químico fluorescente. Los puntos brillantes en el
sustrato ponen en evidencia las cadenas blanco existentes
en la muestra y su secuencia es conocida pues es única
para cada punto del arreglo [2].
En sistemas de control y aplicaciones de robótica
móvil, los chips ADN han sido propuestos como una
plataforma para almacenar y evaluar reglas que definen el
comportamiento de sistemas basados en conocimiento [3].
La principal ventaja de utilizar ADN es su paralelismo y
la desventaja es el tiempo de incubación combinado con el
manejo de reactivos.
Aprovechando la capacidad de operación en paralelo
de los FPGAs, se emuló el principio de operación del chip
Fig. 5.- Emulación del chip ADN.
Las dieciséis banderas 24 son codificadas por un
bloque adicional el cual se encarga de generar las señales
mot1 y mot2 que representan los cuatro comportamientos
que el robot debe desempeñar : adelante, atrás-giroadelante, giro izquierda-adelante, giro derecha-adelante.
El chip ADN emulado se implementó en el programa
XILINX ISE 6.1 a partir del diagrama de entradas –
salidas mostrado en la figura 6.
Fig. 6.- Diagrama entradas - salidas chip ADN.
Fig. 7.- Simulación del chip ADN.
La simulación se realizó en el programa MODELSIM v
5.7c y se obtuvieron los resultados presentados en la
figura 7, en la cual se observan las señales mot1 y mot2
para todas las combinaciones posibles de las señales de
los sensores.
6. CONTROL DE LOS SERVOMOTORES
Los servomotores son un tipo especial de motor que se
caracterizan por su capacidad para ubicarse de forma
inmediata en cualquier posición dentro de su rango de
operación. Están generalmente formados por un
amplificador, un motor, la caja reductora y la
realimentación. El resultado es un servo de posición con
un margen de operación de 180° aproximadamente.
La posición deseada se le da al servomotor por medio
de pulsos (señales PWM). Todo el tiempo debe haber una
señal de pulsos presente en la entrada del servomotor, de
este modo, si existe alguna fuerza que le obligue a
abandonar esta posición, intentará resistirse.
Para controlar los servomotores se creó un bloque
dentro del FPGA que se encarga de producir la señal
PWM para cada motor, de acuerdo al comportamiento
indicado por el chip ADN.
Adicionalmente, se construyó un sistema de encoder
acoplado a una de las ruedas del robot, como se muestra
en la figura 8, que permite que éstas avancen una serie de
pasos y no un intervalo de tiempo, con lo cual se puede
controlar el desplazamiento del robot.
Debido a que el sistema de giro del robot es
diferencial, en un giro del robot cada rueda gira en sentido
opuesto con la misma velocidad, se pueden controlar los
ángulos de giro a partir del conteo de los pulsos que envía
el codificador.
Fig. 8.- Sistema codificador en una rueda.
Por último se presenta la simulación del sistema de
control electrónico del robot en base al diagrama de
bloques general de la figura 3.
La figura 9 muestra cuatro distintas condiciones de
los sensores de proximidad y las señales de control de
cada motor ante la presencia de obstáculos en el entorno
del robot, note cómo cambian los anchos de los pulsos
alterando el sentido de giro de los motores y su velocidad.
La complejidad de las tareas realizadas por el robot se
puede incrementar al agregar más sensores sin afectar el
desempeño, el chip ADN detecta los patrones de entrada,
en
paralelo,
y
activa
los
comportamientos
correspondientes.
El chip ADN actúa como memoria asociativa
proyectando las lecturas de los sensores a
comportamientos.
Fig. 9.- Simulación del sistema de control del robot.
En la figura 10 se aprecia la versión final del robot
móvil así como el hardware utilizado para su control. La
tarjeta ubicada en la parte superior contiene un FPGA
XC2S50 de la familia Spartan II fabricada por Xilinx, así
como los reguladores de voltaje para su alimentación y la
interfaz para su programación utilizando el protocolo
JTAG. La tarjeta en la parte interior del robot contiene los
circuitos de los sensores de proximidad y la parte de
acondicionamiento de señal para los sensores y los
servomotores. En la parte frontal se observan los cuatro
sensores de proximidad IR.
mejora sustancialmente la ejecución de los movimientos
del robot, haciéndolos más ordenados.
7. CONCLUSIONES
Los robots móviles facilitan al diseñador el explorar
una gran variedad de sistemas de control que dependen de
las necesidades y requerimientos de la aplicación.
Los chips ADN y su emulación electrónica en FPGA
permiten el almacenamiento y evaluación de bases de
reglas con un gran número de variables de entrada;
ofreciendo ventajas como la capacidad de operación en
paralelo y velocidad de procesamiento de la información.
En este artículo se mostró un método para emular el
chip ADN con FPGA y su aplicación al control de
navegación de un robot móvil que evade obstáculos en un
espacio determinado. La simulación y posterior
implementación han demostrado el principio de operación
y sus ventajas frente a sistemas de control de tipo
secuencial, como la disminución del tiempo en la
evaluación de las señales enviadas por los sensores y de
las reglas que definen comportamiento del robot.
8. REFERENCIAS
[1] Kelly, R. y Santibáñez, V., Control de movimiento de robots
manipuladores, Prentice Hall, Madrid, 2003.
Fig. 10.- Versión final del robot móvil.
La arquitectura planteada en el presente artículo
mejora ciertos aspectos del trabajo realizado en [4] como
son : (i.) lograr independencia del robot móvil ya que no
requiere de hardware o software externos para realizar su
función, (ii.) utiliza sensores de proximidad cuya salida es
digital lo que permite incrementar su número, mejorando
la inspección del entorno del robot y aumentando el
número de comportamientos que puede realizar,
aprovechando de una mejor forma las características de
los chips ADN, (iii.) el sistema de codificador en la rueda
[2] A. Delgado: “DNA chips as lookup tables for rule based
systems,” IEE Computing and Control Engineering Journal,
vol 13, pp. 113-119, 2002.
[3] A. Delgado: “Robot controller using electronic DNA chip,”
II Congreso Internacional en Ingeniería Eléctrica y
Electrónica CIIEE, Bogotá – Colombia, marzo 24 -28, 2003.
[4] J. Sepúlveda, C. Camargo y A. Delgado: “Implementación de
chip ADN en FPGA,” X Iberchip, Cartagena – Colombia,
Marzo 10 - 12, 2004.