Sistemas Embebidos

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Electrónica analógica y digital: El corazón de los sistemas autónomos.

Códigos Fuente

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C, C++, Java, Verilog, VHDL, Object Pascal, PHP, etc... Lenguajes que describen Hardware y Software inteligente.

Mecatrónica

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Mecánica, Electrónica y Diseño de Software conjugados para crear nuevos dispositivos.

Artículos de la categoría Memoria

Conclusiones

En esta Memoria se han presentado los detalles correspondientes a una segunda versión funcional del prototipo de vehículo autobalanceado, desarrollado durante el año 2009 e informado en [2]. El vehículo fue intervenido en su estructura mecánica, sistemas electrónicos y software asociado, manteniendo en términos gruesos su conformación general, consolidando el trabajo desarrollado anteriormente y generando soluciones nuevas para cumplir de mejor manera los objetivos planteados originalmente para el vehículo.

El vehículo rediseñado es totalmente funcional, permite transportar a un pasajero de manera eficaz entre dos puntos, sin mayores dificultades una vez que éste se ha entrenado lo suficiente. Las encuestas aplicadas a usuarios indican que, en términos generales, la nueva versión representa una mejora perceptible respecto al vehículo en su condición inicial. Sin embargo, aún es necesario un proceso de aprendizaje tal vez más lento de lo esperado, requiriéndose entre 6 y 10 minutos para conseguir un control básico del vehículo, el cual continúa siendo dependiente, en alguna medida, de las habilidades de cada usuario.

La estrategia de control implementada se hizo en base a la teoría desarrollada en el trabajo anterior, con un ajuste de parámetros que se realizó de manera empírica a través de sucesivas pruebas.

Desde el punto de vista electrónico, el rediseño de sus componentes cumplió satisfactoriamente los objetivos planteados, haciendo del vehículo un equipo confiable con comportamiento predecible. Es posible operarlo suponiendo que los componentes funcionan bien y que no es necesario tener precauciones excesivas.

Los convertidores de potencia mejoraron también su seguridad y desempeño, aumentando su eficiencia, evitando el riesgo de recalentamiento de los transistores al ser operado durante un largo tiempo de manera continua. Constructivamente, estos puentes H están preparados para manejar altas potencias con un mínimo de pérdidas y recalentamiento, gracias a su estructura de bus laminado.

La nueva disposición de las tarjetas electrónicas, el énfasis en la reducción de las conexiones necesarias y la ausencia de componentes fuera de las tarjetas, permite un comportamiento sólido ante golpes y condiciones difíciles, facilitando también las labores de mantenimiento.

Mecánicamente, el vehículo mantiene las buenas características de su predecesor, incorporando además un nuevo mecanismo de dirección para maniobrarlo de manera más cómoda y natural. Sin embargo, los grandes esfuerzos mecánicos a los que está sometido este mecanismo hacen de éste un punto potencialmente vulnerable. Por otra parte, la incorporación de una cubierta protectora de hojalata cilindrada, protege efectivamente tanto a los componentes internos como al usuario de golpes directos, brinda un aspecto más armónico y estéticamente más agradable.

La nueva unidad IMU diseñada, se comportó como se esperaba, proporcionando mediciones de mejor calidad al controlador, básicamente gracias a la incorporación de un nuevo giróscopo de mejor tecnología que el usado anteriormente. La redundancia de componentes y su interfaz totalmente digital, evita cualquier contaminación por ruido de las señales.

El nuevo software implementado resultó ser completamente funcional, con una estructura jerarquizada que facilita su lectura y comprensión, así como su intervención. El sistema modular de implementación permite efectivamente separar las tareas, haciendo posible el desarrollo de un aspecto específico, sin alterar las complejas interacciones con el resto del programa. Esta característica busca facilitar trabajos futuros en cuanto a técnicas de control más complejas que las ya implementadas, suponiendo que el resto del sistema funciona correctamente.

La incorporación de un protocolo de comandos, permitió también acceder al estado del vehículo en tiempo real, comandar su funcionamiento y monitorear variables críticas, facilitando en gran medida el proceso de sintonización de controladores y diagnóstico de problemas.

En conclusión, se consiguió una segunda versión del vehículo con mejores prestaciones y además una plataforma de desarrollo para continuar mejorando las técnicas de control empleadas, preparando el camino para futuras implementaciones capaces de conseguir un funcionamiento óptimo. A la luz de lo anterior, es posible asegurar que los objetivos planteados inicialmente para esta Memoria han sido total y satisfactoriamente cumplidos.

Trabajo Futuro

Las mejoras realizadas en este trabajo dan paso a dos posibles líneas de continuación para el proyecto: El estudio de estrategias de control aplicadas a la plataforma existente y la optimización del diseño mecánico y electrónico.

En el diseño actual, aún queda pendiente la incorporación al sistema de la información entregada por los encoders instalados en los motores, lo cual permitiría explorar el efecto de la implementación de un control de velocidad sobre las ruedas. También queda propuesta la construcción de un cargador de baterías para independizar completamente al vehículo de los equipos de laboratorio. Otra mejora interesante desde el punto de vista electrónico, es la instalación de una interfaz inalámbrica de comunicación para facilitar la captura de datos del sistema en movimiento por un computador fijo, lo cual puede hacerse a través de la interfaz RS-232 incorporada, usando un módulo Bluetooth, ZigBee u otro similar.

Puesto que ya se ha resuelto la construcción mecánica, la electrónica de potencia, de control y el software que administra el sistema para el vehículo existente, futuras investigaciones pueden enfocarse en una modelación más rigurosa del sistema con el fin de generar estrategias de control de mejor desempeño, las cuales no sólo pueden limitarse al control de inclinación, sino que también al de corriente, cuyo comportamiento afecta significativamente el desempeño general. De la misma manera, se pueden revisar y perfeccionar los algoritmos de filtrado de las señales para obtener respuestas más precisas.

Respecto a la segunda línea de investigación propuesta para la continuación del proyecto, el rediseño completo del vehículo, utilizando como base el trabajo ya realizado, puede ser una alternativa atractiva para conseguir un equipo de mejores características, que efectivamente esté preparado para su uso por usuarios comunes en condiciones normales.

El vehículo actual posee un ancho similar al de una silla de ruedas, lo cual le impide pasar por algunas puertas e incluso por las rampas para discapacitados más angostas. Las cuatro baterías de plomo significan además un enorme peso que los motores deben mover, contribuyendo también al insatisfactorio desempeño en planos inclinados, los cuales sólo pueden ser subidos a muy bajas velocidades y con pendientes pequeñas.

Sin duda una reducción en el tamaño y el peso total serán una ventaja en un nuevo diseño. El peso de las baterías podría reducirse a una tercera parte, de reemplazarlas por tecnología de ion de litio, cuya densidad de energía es alrededor de tres veces la de las baterías de plomo actuales [20]. Dicha reducción facilitaría el uso de motores de menor potencia ya que la masa a mover se reduce, los cuales a su vez podrían ser accionados por puentes H de menor tamaño que, por ejemplo, no hagan uso de dos transistores en paralelo, sino que uno solo por interruptor, reduciendo de manera importante el tamaño de estas tarjetas. Todo lo anterior manteniendo y quizás mejorando la autonomía del vehículo actual, además de disminuir el costo de fabricación del vehículo.

Cambios tan significativos como los comentados, también impactarán de alguna manera en el desempeño del controlador, siendo éste uno de los aspectos más relevantes a analizar.

Una reestructuración profunda del diseño mecánico del vehículo, como la que se propone, debe ser sustentada por un estudio acabado del diseño propuesto, buscando la optimización de los recursos y aplicando los conocimientos adquiridos en un prototipo cuyos componentes han sido sobredimensionados, pero que funciona de manera confiable.

Referencias

[1] Segway Inc., “Segway – SPAIN.” [En línea] [Citado el: 20 de 11 de 2010.] http://www.segway.es/faq.asp.

[2] Moreno B., Leonardo., Diseño e Implementación de Vehículo Autobalanceado Sobre Dos Ruedas. 2009. Memoria para optar al Título de Ingeniero Civil Electricista. Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Chile.

[3] Vargas, Luis., “Máquinas de Corriente Continua.”. Universidad de Chile Departamento de Ingeniería Eléctrica. Conversión Electromecánica de la Energía. 2006.

[4] Rashid, Muhammad H., “Power Electronics Handbook.”. Academic Press, 2001.

[5] Mohan, Ned., First Course on Power Electronics and Drives. MNPERE, 2003.

[6] Brews, John R., “The Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET).” The Electrical Engineering Handbook. CRC Press LLC, 2000.

[7] IXYS Corporation., IXTH130N10T TrenchMV™ Power MOSFET. 2008. Hoja de datos. IXYS REF: T_130N10T(V3)07-29-08-A.

[8] International Rectifier., Paralleling HEXFET® Power MOSFETs. Application Note AN-941.

[9] Allocco, James M., “Laminated Bus Bars for Power System Interconnects.” IEEE Colloquium on. Londres, 1998.

[10] Advanced Power Technology®., Eliminating Parasitic Oscillation between Parallel MOSFETs. 2004. Application Note APT-0402 Rev A.

[11] National Instruments., Inertial Measurement Unit – Developer Zone. [En línea] [Citado el: 10 de 12 de 2010.] http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/8163.

[12] Texas Instruments., C2000™ 32-bit Real-time MCUs – 28x Fixed-point Series – TMS320F2808 – TI.com. [En línea] [Citado el: 20 de 11 de 2010.] http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tms320f2808.html.

[13] International Rectifier., Automotive MOSFET IRFP2907ZPbF. 2004. Hoja de Datos. PD – 95480.

[14] Rectifier, International., IR2117(A)/IR2118(S)&(PbF) Single Channel Driver. 2007. Hoja de datos. No. PD60146 Rev O.

[15] International Rectifier., IR2110(S)/IR2113(S)&(PbF) High and Low Side Driver. 2004. Hoja de datos. No. PD60147 Rev.T.

[16] Analog Devices., Quad-Channel Digital Isolators ADuM1400/ADuM1401/ADuM1402. 2008. Hoja de datos. Rev. G.

[17] National Semiconductor., LM231A/LM231/LM331A/LM331 Precision Voltage-to-Frequency Converters. 2006. Hoja de Datos. DS005680.

[18] Analog Devices., Programmable 360° Inclinometer ADIS13203. 2006. Hoja de datos. Rev. 0.

[19] Analog Devices., Programmable Low Power Gyroscope ADIS16250/ADIS16255. 2008. Hoja de datos. Rev. C.

[20] Battery University., What’s the best battery? [En línea] [Citado el: 10 de 11 de 2010.] http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_best_battery.

[21] Barkhordarian, Vrej., Power MOSFET Basics. Application Note AN-1084, International Rectifier.

Anexo Encuestas

En el presente anexo, se describe la metodología aplicada para la realización de las encuestas a usuarios, así como el detalle de los datos obtenidos.

Tanto para las pruebas iniciales, como para las pruebas con el vehículo mejorado, se utilizó el mismo formato de encuesta. En las tablas con el detalle de los resultados, se omite la información de contacto de los usuarios.

Formato de Encuesta

Evaluación inicial con usuarios novatos

Al inicio del presente trabajo, se aplicaron encuestas a 14 usuarios antes de realizar cualquier intervención en el vehículo, utilizando el formato presentado anteriormente.  Durante la realización de estas pruebas, no fue posible medir el tiempo efectivo de aprendizaje puesto que ninguno de los usuarios logró manejarlo cómodamente sin ayuda durante el tiempo que estuvieron dispuestos a intentarlo. Ante esta situación, se les solicitó dar una estimación de cuánto tiempo tardarían en alcanzar el control esperado por lo que, si bien los datos se incluyen en la tabla, no fueron tomados en cuenta para el análisis de los datos.

* Los datos sólo corresponden a estimaciones y no fueron utilizados en el análisis de los resultados. Los usuarios que no entregaron estimación se marcan con un guión.

Evaluación del vehículo modificado con usuarios novatos

Para este caso, se aplicó la misma metodología anterior, con la diferencia de que en la mayoría de los casos sí se obtuvo una medición de tiempo entre que el usuario comienza el entrenamiento hasta que se siente cómodo operándolo.

* Los usuarios marcados con asterisco no completaron el tiempo de práctica indicado, se les solicitó dar una estimación. Los demás valores corresponden a tiempos medidos. El promedio final se calculó únicamente en base a los tiempos medidos.

Evaluación comparativa del vehículo con el mismo grupo de usuarios

De las 14 personas encuestadas inicialmente, se logró que 8 de ellas probaran el vehículo mejorado y volvieran a llenar la encuesta con el fin de comparar su percepción antes y después de los cambios.

En esta oportunidad, todos los usuarios lograron manejar cómodamente el vehículo, siendo posible medir los tiempos reales de aprendizaje. Debido a las dificultades para medir este parámetro en las pruebas iniciales, sólo se presentan en la tabla los tiempos para las pruebas con el vehículo mejorado.

En la tabla, las columnas marcadas con “I” corresponden a la evaluación del vehículo en su condición inicial, mientras que “F” marca las puntuaciones asignadas al vehículo mejorado.

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