Carrito evasor de obstáculos con Arduino, con sensor ultrasónico y servomotor, en protoboard y baquelita.

1.-INTRODUCCION: El objetivo de este proyecto será crear un robot que avance recto mientras no detecte la presencia de un obstáculo. En caso de detectar algún obstáculo en su camino debe ir girando sobre sí mismo hasta que esquive el obstáculo y pueda seguir su camino. El sensor HC-SR04 nos permitirá percibir la presencia de un obstáculo y con el control de los motores de corriente continua podremos accionar nuestro robot para avanzar y girar ante los obstáculos.

Este circuito es uno de los proyectos que más entusiasman a estudiantes y aficionados de la robótica y/o la Electrónica. Con la ayuda del tutorial y el código podrás ponerlo en funcionamiento este robot. El robot es capaz de esquivar obstáculos a una distancia (en nuestro caso 15cm) definida en el programa girando a la derecha antes de colisionar con el objeto.

2.-DIAGRAMA: A continuación, les dejo el diagrama, donde allí se ve todas las conexiones a realizar, estamos utilizando el Arduino uno, un servomotor SG90, y un sensor ultrasónico el HC-SR04, descarguen el diagrama para que puedan ensamblar el circuito en la protoboard.

3.-MATERIALES: A continuación, les dejo todos los materiales a utilizar.

Ø 1 sensor ultrasónico el HC-SR04.
Ø 1 servomotor, el SG90.
Ø 1 regulador de voltaje, el LM7805.
Ø 1 Arduino UNO.
Ø 1 circuito integrado, el L293B para controlar los motores.
Ø 2 pilas de litio 18650.
Ø 1 interruptor pequeño.
Ø 2 motores DC.
Ø 2 llantas.
Ø 1 rueda loca.
Ø 1 protoboard.
Ø 1 portapilas, para las pilas de litio.
Ø 1 base para el robot, en mi caso realice la base de triplay, y lo pinte de color negro.
Ø Y cables o jumpers para realizar todas las conexiones entre el Arduino y la protoboard.

4.-SERVOMOTOR EL SG90: El servomotor SG90 es de tamaño pequeño ideal para proyectos de bajo torque y donde se requiera poco peso. Muy usado en aeromodelismo, pequeños brazos robóticos y mini artrópodos. Un servo ideal para aprender a programar en Arduino.

Puede rotar aproximadamente 180 grados (90° en cada dirección). Tiene la facilidad de poder trabajar con diversidad de plataformas de desarrollo como Arduino, PICs, Raspberry Pi, o en general a cualquier microcontrolador.

Los cables en el conector están distribuidos de la siguiente forma:

v Café o marron = Tierra (Gnd).
v Rojo = VCC (5V).
v Naranja = Señal de control (PWM).

Características:

Ø Voltaje de Operación: 3.0 - 7.2V.
Ø Velocidad: 0.1seg / 60 grados
Ø Torque reposo: 1.3Kg x cm (4.8V), 1.6Kg (6.0V)
Ø Ancho de pulso: 4useg (Dead band)
Ø Dimensiones: 22*11.5*27 mm
Ø Longitud del conductor: 150mm

5.-SENSOR ULTRASONICO HC-SR04: El sensor HC-SR04 es un sensor de distancia de bajo costo que utiliza ultrasonido para determinar la distancia de un objeto en un rango de 2 a 450 cm. Destaca por su pequeño tamaño, bajo consumo energético, buena precisión y excelente precio. El sensor HC-SR04 es el más utilizado dentro de los sensores de tipo ultrasonido, principalmente por la cantidad de información y proyectos disponibles en la web.

De igual forma es el más empleado en proyectos de robótica como robots laberinto o sumo, y en proyectos de automatización como sistemas de medición de nivel o distancia.

El sensor HC-SR04 posee dos transductores: un emisor y un receptor piezoeléctricos, además de la electrónica necesaria para su operación. El funcionamiento del sensor es el siguiente: el emisor piezoeléctrico emite 8 pulsos de ultrasonido(40KHz) luego de recibir la orden en el pin TRIG, las ondas de sonido viajan en el aire y rebotan al encontrar un objeto, el sonido de rebote es detectado por el receptor piezoeléctrico, luego el pin ECHO cambia a Alto (5V) por un tiempo igual al que demoró la onda desde que fue emitida hasta que fue detectada, el tiempo del pulso ECO es medido por el microcontrolador y así se puede calcular la distancia al objeto. El funcionamiento del sensor no se ve afectado por la luz solar o material de color negro (aunque los materiales blandos acústicamente como tela o lana pueden llegar a ser difíciles de detectar).

Características del hc-sr04:

Ø Voltaje de Operación: 5V DC
Ø Corriente de reposo: < 2mA
Ø Corriente de trabajo: 15mA
Ø Rango de medición: 2cm a 450cm
Ø Precisión: +- 3mm
Ø Ángulo de apertura: 15°
Ø Frecuencia de ultrasonido: 40KHz
Ø Duración mínima del pulso de disparo TRIG (nivel TTL): 10 μS
Ø Duración del pulso ECO de salida (nivel TTL): 100-25000 μS
Ø Dimensiones: 45mm x 20mm x 15mm
Ø Tiempo mínimo de espera entre una medida y el inicio de otra 20ms (recomendable 50ms)

6.-ARDUINO UNO: Arduino es una plataforma de creación de electrónica de código abierto, la cual está basada en hardware y software libre, flexible y fácil de utilizar para los creadores y desarrolladores. Esta plataforma permite crear diferentes tipos de microordenadores de una sola placa a los que la comunidad de creadores puede darles diferentes tipos de uso.

Para poder entender este concepto, primero vas a tener que entender los conceptos de hardware libre y el software libre. El hardware libre son los dispositivos cuyas especificaciones y diagramas son de acceso público, de manera que cualquiera puede replicarlos. Esto quiere decir que Arduino ofrece las bases para que cualquier otra persona o empresa pueda crear sus propias placas, pudiendo ser diferentes entre ellas, pero igualmente funcionales al partir de la misma base.

La placa Arduino UNO es la mejor placa para iniciar con la programación y la electrónica. Si es tu primera experiencia con la plataforma Arduino, el Arduino UNO es la opción más robusta, más usada y con mayor cantidad de documentación de toda la familia Arduino.

Arduino UNO es una placa basada en el microcontrolador ATmega328P. Tiene 14 pines de entrada/salida digital (de los cuales 6 pueden ser usando con PWM), 6 entradas analógicas, un cristal de 16Mhz, conexión USB, conector jack de alimentación, terminales para conexión ICSP y un botón de reseteo. Tiene toda la electrónica necesaria para que el microcontrolador opere, simplemente hay que conectarlo a la energía por el puerto USB ó con una pila de 9 o 12v por el conector Jack.

7.-CIRCUITO INTEGRADO L293B: El Driver puente H para motores L293B es un circuito integrado de cuatro canales diseñado para manejar cargas inductivas tales como relevos, solenoides, motores DC y motores paso a paso, muy similar al L293D pero con una salida máxima de corriente de 1A por canal, en la configuración conocida como puente H. Es posible configurarlo para manejar hasta 2 puentes H. El control de las entradas digitales del L293B puede hacerse desde cualquier microcontrolador, Arduino, Raspberry pi, TI Launchpad, BeagleBone, o cualquier otro sistema embebido.

Características:

Ø Salida de corriente por canal de forma continua: 1A.
Ø Salida de corriente por canal pico (No repetitivo): 2A.
Ø Pin o patilla para la función habilitador o Enable: 2.
Ø Máximo voltaje soportado por los pines Enable: 7Vdc.
Ø Protección de sobrecalentamiento.
Ø Rango de voltaje de alimentación: 4.5Vdc a 36Vdc.
Ø Rango de temperatura de operación: -40°C a +150°C.
Ø Encapsulado: DIP-16.
Ø Fabricante: STMicroelectronics.

Aplicaciones:

Ø Control de cargas inductivas: Relevos, Solenoides, Motores DC, Motores PAP.
Ø Puentes H.

Lo primero que vamos a realizar es el chasis para el carrito, en mi caso lo hare de triplay, o también pueden comprar un chasis ya fabricado de material de acrílico que los venden en las tiendas de electrónica, a continuación les dejo la medida del triplay y unas fotos de cómo me quedo mi base para el robot.

Medidas del triplay: 10cm X 21cm.

Antes de hacer todas las conexiones de todo el circuito, les recomiendo que primero carguen el código al Arduino, el código es muy simple y consta de pocos comandos, a continuación, les dejo el código para que lo puedan descargar y luego lo carguen al Arduino UNO.

Link de descarga:

https://mega.nz/folder/qMQxnK6b#NUTDP7QWxu30zmdE54fNEA

La primera modificación que podemos realizar es la distancia que va a sensar el sensor ultrasónico, en mi caso esta programado que detecte un obstáculo a 15cm, si sus motores tienen mucha velocidad pueden ponerlo a 20cm, si sus motores son lentos pueden poner a 15cm, es cosa que ustedes hagan sus pruebas, si ustedes quieren modificar esta parte del código lo pueden hacer en la siguiente parte.

Lo que también podemos modificar es el tiempo de giro del motor cuando detecte un obstáculo, cuando detecte un obstáculo va a girar una llanta hacia atrás por un tiempo determinado o programado (en mi caso gira 800milisegundos, es de acuerdo a la velocidad de sus motores), gira por ese tiempo de 800mls hace un pare y sigue su ruta hasta encontrar otro obstáculo, en la siguiente imagen les dejo la parte del tiempo que pueden modificarlo.

Ahora si vamos a ensamblar el circuito, les invito para que descarguen el diagrama para poder guiarse y poder realizar todas las conexiones, primero vamos a ensamblar la protoboard con el Arduino, les dejo una imagen de como me va quedando mi circuito.

Luego conectamos el servomotor SG90, lo vamos a pegar con silicona en la parte delantera del carrito, y sobre el servomotor vamos a pegar el sensor ultrasónico, como lo vemos en las siguientes imágenes.

Si tuvieron algún error, en el siguiente video les muestro paso a paso de como programar y ensamblar el circuito evasor de obstáculos, les recomiendo ver el siguiente video.

Video:

Para que el circuito quede mas profesional, en mi caso lo voy a realizar en una baquelita, como ya tenemos el diagrama y el circuito funcionando perfectamente, entonces vamos a diseñar las pistas, en mi caso diseño las pistas con el programa Autodesk Eagle versión 8.6.0, es un excelente programa para diseñar circuitos electrónicos, además allí también podemos crear nuestros propios componentes y darles un nombre al gusto de uno mismo, a continuación les dejo como unas imágenes de como me quedo mi circuito, al final del blog estarán los links de descarga del archivo Eagle en caso lo quieran modificar.

El grabado de mi baquelita le voy a realizar con el método del planchado, es un método muy confiable para hacer circuitos en baquelita, también lo pueden hacer con el método de serigrafia, salen muy bien los circuitos, pero con ese método me toma mas tiempo y es un poquito complicado, es por eso qué realizo el grabado con el método del planchado y además salen muy buenos circuitos, les dejo unas imágenes de como me quedo mi circuito.

Luego lo pasamos por acido férrico para quemar las pistas, introducimos la baquelita en un envase de plástico junto al ácido férrico por 8 minutos aproximadamente, y hay que estar moviéndolo contantemente hasta que el cobre haya salido por completo según las pistas, luego lavamos la baquelita con bastante agua y realizamos los orificios con mini taladro pequeño.

En mi caso el chasis será de triplay, pueden comprar el kit completo de su tienda de electrónica más cercana, en mi caso lo realizare en un triplay, a continuación, les dejo unas fotos de cómo me quedo mi chasis.

Tamaño del triplay: 9cm X 18cm.

Ahora vamos a ensamblar los componentes en la baquelita, recuerden que tenemos 2 puentes o jumpers en la baquelita, descarguen el diagrama y mascara de componentes para que se puedan guiar al ensamblar la baquelita.

Después hay que hacer las conexiones entre la baquelita y el Arduino uno, recuerden primero que deben de cargar el código al Arduino, luego conectamos el servomotor y por últimos conectamos el sensor ultrasónico, les dejo unas imágenes de cómo me quedo mi circuito terminado.