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Tutorial: Robot seguidor de Línea MICROPROCESADORES

Luis Miguel UNIVESIDAD AUTONOMA DEL ESTADO DE HIDALGO

Tabla de contenido Resumen: ................................................................................................................ 2 Objetivos: ................................................................................................................ 3 Introducción: ............................................................................................................ 4 Marco Teórico: ..................................................................................................... 4 Electrónica: ...................................................................................................... 4 Robótica: .......................................................................................................... 4 Mecánica: ......................................................................................................... 5 Robots Seguidores de línea: ............................................................................ 5 Estructura básica: ............................................................................................ 6 Componentes básicos de un robot: .................................................................. 6 Desarrollo: ............................................................................................................. 17 Seguidor de Líneas con OPAMPs ..................................................................... 17 Materiales necesarios: ................................................................................... 17 Proceso de elaboración:................................................................................. 18 Diseños sugeridos: ......................................................................................... 20 Seguidor de líneas con transistores: .................................................................. 21 Materiales necesarios: ................................................................................... 21 Diagrama y Funcionamiento: ......................................................................... 22 Seguidor de línea con L293B e inversor IC-40106 ............................................ 23 Materiales necesarios: ................................................................................... 23 Diagrama y Función: ...................................................................................... 23 Seguidor de línea con el LM393 ........................................................................ 24 Materiales Necesarios: ................................................................................... 24 Diagrama y funcionamiento:........................................................................... 25 Seguidor de línea con arduino: .......................................................................... 25 Materiales necesarios: ................................................................................... 25 Sensores: ....................................................................................................... 26 Arduino: .......................................................................................................... 28 Conclusiones: ........................................................................................................ 35 Referencias: .......................................................................................................... 35

FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA

1 FUENTE: [1] 2 ROBÓTICA FUENTE [3] 3 RASTREADOR FUENTE [3] 4 SENSOR CNY70 FUENTE INTERNET 5 SENSOR CNY70 DIAGRAMA 6 TCRT5000 SENSOR DIAGRAMA 7 TCRT5000 MODULO 8 TRANSISTOR BC547 9 TRANSISTOR 2N2222 10 RUEDAS 11 BATERÍA LIPO 12 INTEGRADO L293B DATASHEET 13 INVERSOR IC-40106 DATA 14 INTEGRADO L293D DATASHEET 15 CIRCUITO INTEGRADO (CI) LM393 DATA 16 ARDUINO 17 ARDUINO DRIVERS 18 OPAMPS MODO COMPARADOR FUENTE [6] 19 AMPLIFICADOR LM339N 20 CONEXIÓN DE UN OPAMP 21 L293B TIPOS CONEXIONES A LOS MOTORES 22 DIAGRAMA 1 FUENTE [6] 23 DIAGRAMA 2 FUENTE: WWW.COSASDEINGENIERIAS.COM 24 DISEÑO DE RASTREADOR CON TRANSISTORES FUENTE [10] 25 MONTAJE DEL RASTREADOR [8] 26 DISEÑO CON EL L293B E INVERSOR FUENTE: [7] 27 SEGUIDOR DE LÍNEA CON EL LM393 FUENTE [9] 28 BASE SUGERIDA FUENTE TIENDA DE ELECTRÓNICA PLAZA UNI. 29 DIAGRAMA DE BLOQUE FUENTE [1] 30 FUNCIÓN DEL MOTOR FUENTE [1] 31 TABLA DE VERDAD DEL FUNCIONAMIENTO FUENTE [1] 32 CONEXIONES FUENTE [1]

4 5 6 7 8 8 9 10 10 11 12 13 14 15 15 16 17 18 19 19 20 20 21 22 23 24 25 26 27 28 28 29

Resumen: Los robots reducen el trabajo del hombre, costos y tiempo en la vida empresarial, trabajan con eficiencia y en periodos largos de tiempo. Los robots seguidores de línea son robots muy sencillos, que cumplen una única misión seguir una línea marcada en el suelo normalmente de color negro sobre un tablero blanco (normalmente una línea negra sobre un fondo blanco). Son considerados los "Hola mundo" de la robótica. [1] En este documento se presenta la metodología para el diseño y construcción de un robot seguidor de una línea negra con fondo blanco, con la utilización de una placa ARDUINO UNO. Se utilizaron dos motores de corriente directa para las ruedas traseras de dicho robot. [1] En un robot o rastreador capaz de desplazarse a lo largo de una línea de un color diferente al fondo, tienden a utilizar o a basar su funcionamiento a partir de sensores, no obstante, dependiendo de la complejidad del recorrido, el robot debe utilizar más o menos sensores. Un robot rastreador es una máquina automática que puede trasladarse en cualquier ambiente dado. Los robots seguidores de línea se encuentran en la industria y los servicios. Hoy en día la Robótica Móvil se ha convertido en un tema de gran importancia e interés en el ámbito industrial en el proceso de automatización, con grandes adelantos debido a una gran cantidad de proyectos que se han desarrollado alrededor del mundo, por ello como ingenieros en electrónica es necesario presentar alternativas que puedan satisfacer las necesidades del mundo moderno. [1] Los rastreadores más simples utilizan 2 sensores, ubicados en la parte inferior de la estructura, uno junto al otro. Cuando uno de los 2 sensores detecta el color blanco, significa que el robot está saliendo de la línea negra por ese lado. En ese momento, el robot gira hacia el lado contrario hasta que vuelve a estar sobre la línea. Esto en el caso de los seguidores de línea negra, ya que también hay seguidores de línea blanca. [1]

Objetivos:  

Realizar un tutorial que muestre los conocimientos necesarios para la elaboración de un Rastreador o un Seguidor de línea Mostrar alternativas para la elaboración de un seguidor de línea utilizando diferentes componentes, desde sensores a integrados o en su defecto la utilización de un arduino uno.

Introducción: Marco Teórico: Para la elaboración de un seguidor de línea es necesario mencionar que requieren de la aplicación de ciertas áreas como las que se muestran en seguida.

Electrónica: La electrónica es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento de información, entre otros. Esta información puede consistir en voz o música como en un receptor de radio, en una imagen en una pantalla de televisión, o en números u otros datos en un ordenador o computadora. [2]

Figura 1 fuente: [1]

Robótica: La robótica es la ciencia y la tecnología de los robots. Se ocupa del diseño, manufactura y aplicaciones de los robots. La robótica combina diversas disciplinas como son: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial y la ingeniería de control. Otras áreas importantes en robótica son el álgebra, los autómatas programables y las máquinas de estados. La robótica es una de las aplicaciones más apasionantes de la electrónica. Un robot seguidor de línea se clasifica en el campo de la robótica móvil un grupo de la rama de robótica, por tanto es necesario que posea tres funciones fundamentales, la locomoción (nivel físico), la percepción (nivel sensorial) y la decisión (nivel de control). [2]

Figura 2 Robótica Fuente [3]

Mecánica: La mecánica es la rama de la física que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos. [2]

Una vez que tenemos en cuenta estas áreas que involucran conocimientos compartidos para el desarrollo de lo que es nuestro robot procedemos a hablar de manera concreta acerca de estos rastreadores. Robots Seguidores de línea: Los rastreadores son Robots con gran capacidad de desplazamiento, son basados en carros o plataformas y dotados de un sistema locomotor de tipo rodante. Siguen su camino por telemando o guiándose por la información recibida de su entorno a través de sus sensores. Estos Robots aseguran el transporte de piezas de un punto a otro de una cadena de fabricación. Guiados mediante pistas materializadas a través de la radiación electromagnética de circuitos empotrados en el suelo, o a través de bandas detectadas fotoeléctricamente, pueden incluso llegar a sortear obstáculo. Las 2 maneras más comunes de armar los rastreadores son: OPAMS, o con simples transistores (sin necesidad de programar nada), trabajados en su zona de saturación. Esto dependiendo de la complejidad con la que se quiera armar el circuito. Podemos utilizar un microcontrolador para realizar las funciones de control o guardar en él la forma del recorrido por una pista. También sirve como escaneado eléctrico. [3]

Figura 3 Rastreador Fuente [3]

Estructura básica: Estos robots pueden variar desde los más básicos (siguen una línea única) hasta los robots que recorren complicados circuitos en un tiempo récord. Hay numerosas competiciones patrocinadas por universidades y empresas, en las que los robots participan en diferentes categorías: velocistas, rastreadores, laberintos, etc. El algoritmo para seguir la línea es muy sencillo. Si ambos sensores detectan "negro" el robot seguirá avanzando. Cuando el sensor de la derecha detecte "blanco" y el de la izquierda "negro", el robot girará a la izquierda, y cuando ocurra el caso contrario girará a la derecha. Si ambos sensores leen "blanco", el robot permanecerá parado. Componentes básicos de un robot: Los robots seguidores de línea (o robots rastreadores) cumplen con: seguir una línea marcada en el suelo (normalmente una línea negra sobre un fondo blanco o línea blanca en fondo negro). Estos robots pueden variar desde los más básicos (van tras una línea única) hasta los robots que recorren laberintos. Todos ellos, sin embargo, poseen (por lo general) ciertas partes básicas comunes entre todos. [3] Sensores Un rastreador detecta la línea a seguir por medio de sensores. Hay muchos tipos de sensores que se pueden usar para este fin; sin embargo, por razones de costos y practicidad los más comunes son los sensores infrarrojos (IR), que normalmente constan de un LED infrarrojo y un fototransistor. 

Receptor infrarrojo: Este tipo de receptores son la contraparte de los emisores, encargados de recibir la luz infrarroja y convertirla en un voltaje análogo, estos cuentan con un filtro de luz de día, por eso es su color aparentemente negro, lo cual indica que reciben menos interferencia de cualquier fuente de luz externa. [3]



Led emisor: Este tipo de emisores genera luz en el espacio infrarrojo, por lo cual no lo podemos ver a simple vista, en la actualidad se utilizan en la mayoría de aplicaciones de control remoto, porque son baratos y no le causan daño al usuario, su desventaja es que está restringido a distancias cortas de trabajo y ángulos predeterminados. [3]

Dentro de los sensores que son empleados para estos casos encontramos: 

Sensor CNY70 el cual es un sensor de corto alcance basado en un emisor de luz y un receptor, ambos apuntando en la misma dirección, y cuyo funcionamiento se basa en la capacidad de reflexión del objeto, y la detección del rayo reflectado por el receptor. El CNY70 tiene cuatro pines de conexión. Dos de ellos se corresponden con el ánodo y cátodo (emisor), y las otras dos se corresponden con el colector y el emisor (receptor), tal cual se aprecia en la figura siguiente.

Figura 4 Sensor CNY70 Fuente Internet

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El sensor QRD1114: Este dispositivo es de los más confiables en su tipo, y trabaja perfectamente con 5V, por lo que lo puedes ocupar con cualquier microcontrolador. Es un sensor óptico reflectivo NPN integrado por un emisor de luz infrarroja y un receptor foto darlintong el cual posee filtro luz día, el sensor viene empaquetado en configuración reflex, este sensor es el remplazo directo del CNY70 pero tiene un mejor desempeño, permitiendo hacer mediciones a mayor distancia, este sensor se usa para detección de objetos, de colores y es uno de los más utilizados para la elaboración de mini sumos de competencia. El diagrama muestra la configuración de nuestro sensor, lo que sucede es que cuando el led infrarrojo refleja la luz en el fototransistor polariza la base y lo cierra con lo cual tenemos: Negro 5V lo que acciona los motores y Blanco 0v.

Figura 5 Sensor CNY70 diagrama



TCRT5000: Es un sensor fotoeléctrico infrarrojo que puede ser utilizado como detector de obstáculos, sensor de proximidad, etc. Nos permite conectar directamente al microcontrolador de tu preferencia ya sea Arduino, PIC, AVR, STM32.

Figura 6 TCRT5000 Sensor Diagrama

También existe su equivalente en modulo para conectar directamente al arduino.

Figura 7 TCRT5000 modulo

Para nuestra aplicación consideraremos que la salida de estos sensores será "0" lógico cuando vean "blanco" y "1" lógico cuando vean "negro", similar a lo explicado en el sensor QRD. Dependiendo de la elección tomada a partir de los sensores presentados en este documento o a otro sensor ajeno al mismo se deberá tomar en cuenta su datasheet para su correcta conexión. Transistores: El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador, dentro de lo que se busca en función al seguidor de línea podemos utilizar los siguientes transistores que son los más comunes.



Transistor BC547: Este elemento consta de tres terminales, es un transistor de uso general el cual está hecho de silicio y actúa en el robot como interfaz de potencia, es decir, cuando hay una señal proveniente del amplificador esta dispara a la base de este transistor y toda la energía de la fuente pasa vía colector emisor hacia los motores y dependiendo cual es el que tenga señal será el que se active.[2]

Figura 8 Transistor BC547



Transistor 2N2222: Es un transistor bipolar NPN de baja potencia de uso general sirve tanto para aplicaciones de amplificación como de conmutación. Puede amplificar pequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias; por lo tanto, sólo puede tratar potencias bajas (no mayores de medio vatio). Puede trabajar a frecuencias medianamente altas.

Figura 9 Transistor 2N2222

Resistencias: Las resistencias en cualquier circuito electrónico son de gran utilidad ya que como se nombre lo indica estas son las encargadas de limitar la corriente que fluye de la fuente hacia los elementos y así evitar un corto, estas son de un valor fijo, dependiendo los colores de las franjas que tienen. [2]

Ruedas: Las ruedas del robot son movidas por los motores. Normalmente se usan ruedas de materiales anti-deslizantes para evitar fallas de tracción. Su tamaño es otro factor a tener en cuenta a la hora de armar el robot. [1]

Figura 10 Ruedas

Motores: El robot se mueve utilizando motores. Dependiendo del tamaño, el peso, la precisión del motor, entre otros factores, éstos pueden ser de varias clases: motores de corriente continua, motores a paso a paso o los siempre útiles servomotores. Son los encargados del trabajo mecánico del robot, están enganchados mediante el termo fijo a la lámina que se adhiere a la placa del robot, mediante estos se le da orientación y nivelación correcta al robot para que este tenga un óptimo desempeño. [1] Potenciómetro: Estos dispositivos en realidad son resistencias variables, de los cuales pueden haber distintos tipos y valores, dependiendo la aplicación para la que van a ser usados, en el caso del robot, este elemento marca un voltaje de referencia el cual es introducido en la entrada no inversor del comparador que se desee utilizar, y por lo cual se determina la sensibilidad de nuestro robot. [1] Fuente de alimentación: El robot obtiene la energía que necesita para su funcionamiento de baterías o de una fuente de corriente alterna, siendo esta última menos utilizada debido a que le resta independencia al robot. [1]

Figura 11 Batería Lipo

Capacitores: Estos capacitores pueden ser de tipo cerámico, poliéster o electrolítico y dependiendo del tipo que se requiera emplear recordar que los del tipo electrolítico, tienen polaridad, es decir, un lado positivo y otro negativo, las principales aplicaciones de estos se dan como filtros de señales, ya sea de audio o para fuentes de alimentación, para el caso de nuestro robot, estos sirven para limpiar la señal, además de almacenar voltaje, para que los dispositivos puedan tomarlo en los picos que se dan al encender algún motor. [1]

Tarjeta de Control: La toma de decisiones y el control de los motores están generalmente a cargo de un microcontrolador y de ciertos integrados, eso dependiendo de cómo se desee realizar dicho trabajo ya que como se mencionó anteriormente se puede realizar principalmente con OPAMPS o con transistores. Sin embargo si se desea emplear una tarjeta de control requerirá de otros componentes electrónicos básicos que para funcionar. Dentro de lo que se mostrara en este tutorial será el uso de OPAMPs, Uso de transistores, integrados y de la placa arduino para la realización del rastreador dando alternativas al lector para la elaboración del mismo. Integrado L293B: El L293B es un circuito integrado que incorpora dos drivers denominados "puentes H". Mediante ellos es posible activar un motor de corriente continua (DC), así como establecer su sentido de giro y, con un pequeño circuito adicional, controlar también su velocidad. El L293B es un driver de 4 canales capaz de proporcionar una corriente de salida de hasta 1A por canal. Cada canal es controlado por señales de entrada compatibles TTL y cada pareja de canales dispone de una señal de habilitación que

desconecta las salidas de los mismos. Dispone de una patilla para la alimentación de las cargas que se están controlando, de forma que dicha alimentación es independiente de la lógica de control.      

Corriente de salida de 1A por canal. Corriente pico de salida 2A por canal (no repetitiva). Pines de Habilitación. Alta inmunidad al ruido. Fuentes de alimentación separadas. Protección contra exceso de temperatura.

Figura 12 Integrado L293B Datasheet

Inversor IC-40106: Lo que hace este integrado es invertir la señal digital que no envía el sensor CNY70.     

6 compuertas inversoras (NOT) con entradas Schmitt trigger. La histéresis de las entradas incrementa la inmunidad al ruido y elimina el jitter (Fenómeno de inestabilidad en la señal reproducida) Tecnología: CMOS Voltaje de alimentación: 3 V a 15 V Encapsulado: DIP 14 pines.

Figura 13 Inversor IC-40106 data

Integrado L293D: El integrado L293D incluye cuatro circuitos para manejar cargas de potencia media, en especial pequeños motores y cargas inductivas, con la capacidad de controlar corriente hasta 600 mA en cada circuito y una tensión entre 4,5 V a 36 V. Los circuitos individuales se pueden usar de manera independiente para controlar cargas de todo tipo y, en el caso de ser motores, manejar un único sentido de giro. Pero además, cualquiera de estos cuatro circuitos sirve para configurar la mitad de un puente H. El integrado permite formar, entonces, dos puentes H completos, con los que se puede realizar el manejo de dos motores. En este caso el manejo será bidireccional, con frenado rápido y con posibilidad de implementar fácilmente el control de velocidad.

Figura 14 Integrado L293D Datasheet

Circuito Integrado (CI) LM393: El circuito integrado LM393 es un amplificador operacional doble, el cual esta específicamente diseñado para funcionar como un comparador de alta precisión, rápida respuesta y bajo consumo, este circuito es el encargado de decidir, cuál de los motores activar, en base a los estímulos recibidos vía los receptores infrarrojos, en otras palabras, cambia una señal análoga en una señal de tipo digital, para el encendido o apagado de los motores.

Figura 15 Circuito Integrado (CI) LM393 data

LM 7805: El 7805 es un regulador de voltaje positivo fijo, el cual es capaz de entregar 5Volts a la salida con una corriente máxima de primera, normalmente se utiliza para mantener un voltaje constante independiente del voltaje de entrada, ideal para aplicaciones dentro de circuitos de lógica combinacional o microcontroladores. Placa Arduino Uno: Es una plataforma de desarrollo de computación física de código abierto, basada en una placa con un sencillo micro controlador y un entorno de desarrollo para crear software para la placa. El lenguaje de programación de un Arduino es una implementación de Wiring. Una plataforma de computación física parecida, que a su vez se basa en Processing, un entorno de programación multimedia. Este lenguaje de programación es parecido al lenguaje C o C++. [2] El Arduino, además de simplificar el proceso de trabajar con micro-controladores. Ofrece algunas ventajas respecto a otros sistemas tales como: 

 

Entorno de programación: es simple y directa el entorno de programación de Arduino es fácil de usar para principiantes y lo suficientemente flexible para los usuarios avanzados Hardware ampliable: los diseñadores de circuitos con experiencia pueden hacer su propia versión del módulo, ampliándolo u optimizando Multiplataforma: El software utilizado en el Arduino es multiplataforma, funciona en sistemas operativos como Windows, Macintosh y Linux

Figura 16 arduino

Al conectar la placa Arduino UNO al PC no la detecta, ya que no tiene los controladores necesarios instalados. Para instalar los drivers hay que hacerlo manualmente desde “administrador de dispositivos” buscando la conexión correcta buscamos en “propiedades” y en pestaña de “controladores” buscamos

seleccionamos “Actualizar un controlador”. Una vez terminado esto debe de parecer una ventana en la que seleccionamos “buscar software de controlador en el equipo” cuando veamos que nos deja seleccionar el directorio en la mismo carpeta de Arduino hay una carpeta llamada “drivers” hay que decirle que lo busque en esta carpeta una vez encontrados e instalados ya podremos programar el software. [1]

Figura 17 Arduino Drivers

Una vez finalizado el proceso de instalación de los controladores, configuramos el software indicándole el puerto y el modelo de placa que vamos a programar.

Desarrollo: Seguidor de Líneas con OPAMPs Basado en un seguidor de línea de competencia, lo que ayudó a tener una base sólida. A continuación se enlistaran los pasos de diseño así como las bases que se tomaron para el mismo. Materiales necesarios: Además de los materiales básicos se enlistan los más importantes:       

2 Sensores QRD1114 Motores DC (motorreductores 12v) Baterías 2 de 9v Reguladores de voltaje Lm317t Capacitor 10uF Potenciómetro 10k Amplificado LM339N

Proceso de elaboración: La configuración que usamos fue poner capacitores de 100uF a la entrada y salida para eliminar ruido, además de un potenciómetro de 10k para ajustar la salida de 5 y 12V, dando como resultado:

Figura 18 OPAMPs modo comparador Fuente [6]

Como control pusimos OpAmps en su modo comparador:   

Conectamos la salida de los sensores al (–) del OpAmp estableciéndola así como nuestro Vin. Siguiente de la salida del LM317t que da 5V sacamos un potenciómetro de 10k y de ahí al (+) del OpAmp teniendo nuestro Vref establecido. Usamos un LM339N que son 4 OpAmps en 1 solo CI. La ventaja de éste sobre muchos otros es que nos ahorramos 1 fuente (la negativa) pues solo se conecta a Vcc y GND. Un detalle importante es que a la salida lleva una resistencia de 10k a Vcc.

Teniendo en cuenta esto, funciona de tal manera que Cuando el sensor esta en negro manda 5V mientras el Vref se ajusta a 4.5V con el potenciómetro, esto nos da como salida0V en el OpAmp. Cuando entra el blanco, baja el voltaje y en el momento que es menor a 4.5V la salida se satura a 5V. Este control se usa debido a que la respuesta de los sensores es bastante mala. Por un lado son lentos en responder y por otro dependen en gran manera de la distancia a la que estén de la pista (comprobamos que la óptima son 3mm) esto quiere decir que puede estar en blanco y mandar 3V. Esto se soluciona con el OpAmp ya que manda a los motores 0V o bien 5V.

Figura 19 Amplificador LM339N

Figura 20 Conexión de un OPAMP

Drivers de motores: Comprobamos que los motores con carga trabajan a 650mA, una corriente bastante peligrosa en el circuito. Por lo que se necesita de un driver para motores. Se usó el L293B ya que aguanta hasta 1A. Sin embargo no trae diodos internos de protección para las corrientes inversas, por lo que usamos el 1N4007 para tal propósito. Como se muestra en la siguiente figura.

Figura 21 L293B tipos conexiones a los motores

Se tomó la configuración inferior derecha pues, como ya vimos al estar los sensores en negro tenemos 0V a la salida del OpAmp por lo que los motores deben encender con 0V. Consideraciones:    

Pines 1 y 9 corresponden a los ENABLE de los lados derecho e izquierdo y deben estar en 1 para que el CI funcione. Pines 4, 5, 12 y 13 deben ir a GND Pin 16 Vss corresponde a ajustar el “1” lógico del dispositivo (en nuestro caso 5V) Pin Vs corresponde al voltaje de trabajo de los motores (en nuestro caso 12V)

Diseños sugeridos:

Figura 22 diagrama 1 fuente [6]

Figura 23 Diagrama 2 Fuente: www.cosasdeingenierias.com

Seguidor de líneas con transistores: Con unos cuantos componentes discretos como transistores, un par de sensores infrarrojos y unas resistencias se puede hacer un seguidor de línea Materiales necesarios:  2 Sensores CNY70  Motores DC (motorreductores 12v)  Batería  Transistores BC547,557,BD140  Resistencias 680,10k, 2.2k

Diagrama y Funcionamiento:

Figura 24 Diseño de Rastreador con transistores fuente [10]

El fototransistor y la resistencia de 10KOhms forman un divisor de voltaje Al detectar el color blanco: el fototransistor baja su resistencia, haciendo entrar en conducción a Q1 y haciendo entrar en conducción a Q2, pero Q2 y la resistencia de 2K2 forman un divisor de tensión, entonces al entrar en conducción Q2, polariza positivamente la base de Q3, pero como Q3 es PNP, no conduce. Al detectar el color negro: El fototransistor aumenta su resistencia varios miles de mega-ohmios, haciendo que ahora la resistencia de 10K polarice negativamente a Q1 entrando en corte. Como Q1 estará en corte, Q2 también, aumentando su resistencia unos miles de ohms, entonces la resistencia de 2K2 ahora polarizará negativamente a Q3 entrando en saturación y haciendo girar el motor. Tomando en cuenta que el circuito debe de funcionar a 6v y se deben hacer 2 placas iguales e intercalar el sensor derecho con el motor izquierdo y el sensor izquierdo con el motor derecho. Consideraciones:    

El transistor BD140 no necesita disipador, en caso de calentamiento revisar el circuito. Sensores a 0.5mm del suelo. Se recomienda el uso de rueda loca. Separación entre sensores de 1cm o menos.

Figura 25 Montaje del Rastreador [8]

Como se muestra en la figura anterior la placa 1 debe ir conectada al motor 2 y viceversa.

Seguidor de línea con L293B e inversor IC-40106 Materiales necesarios:  2 Sensores CNY70  Motores DC a elección del usuario  Batería  Integrado L293B  Inversor IC-40106  Materiales complementarios indicados en el diagrama. Diagrama y Función: La toma de decisiones y el control de los motores están generalmente a cargo del L293B (Driver) y el circuito inversor IC-40106. La tarjeta de control contiene dicho elemento, junto a otros componentes electrónicos básicos que requiere los integrados. El robot obtiene la energía de una pila de 9v

Figura 26 Diseño con el L293B e inversor fuente: [7]

Para el correcto funcionamiento del Seguidor de líneas seguir a pie de la letra el diagrama anterior.

Seguidor de línea con el LM393 Materiales Necesarios:  2 fotorresistencias  Motores DC a elección del usuario  Batería  Amplificador operacional LM393  Capacitores 100uF  2 Potenciómetros de 2K  Interruptor  Transistores PNP8550  Resistencias 2 de 10k, 2 de 3.3k, 4 de 51, 2 de 1k

Diagrama y funcionamiento: La resistencia fotosensible, es un elemento que cambia su resistencia cuando es afectado por una fuente de luz externa como en el caso de un LED en este proyecto en particular, lo que le ayudara a saber cuándo incide sobre una superficie de color blanca o de color negra y la cual indicara al circuito de control qué camino seguir. El LM393 es un amplificador operacional que está contenido en un circuito integrado, y el cual consta de 2 comparadores de voltaje. Este es el circuito de control que con ayuda de las LDR nos ayudara a comparar la diferencia entre voltajes de los sensores y le indicara a la etapa de potencia qué camino tomar.

Figura 27 Seguidor de línea con el LM393 fuente [9]

Seguir el diagrama y si lo desea realizar la placa para el montaje del mismo.

Seguidor de línea con arduino: Materiales necesarios:  Una tarjeta ARDUINO UNO (cualquier versión sirve)  Circuito Integrado L293D  Dos motores 12V  5 Sensores óptico-refletcivos QRD1114  Ruedas. 2 traseras y una rueda giratoria o rueda loca.  Sensores QRD  Resistores de 330 ohms  Resistores de 1K ohm  Resistores QRD1114  1 protoboard

Base: En esta parte es crucial ya que en esta involucra la movilidad, la rigidez, resistencia y apariencia del robot. Queda a consideración.

Figura 28 base sugerida Fuente Tienda de Electrónica Plaza Uni.

Sensores: Los sensores nos permiten mantenernos siempre en el camino correcto, esto en base a la programación la que al detectar un cambio manda información para que el carro pueda girar a la derecha o izquierda con el fin de volver a centrarse sobre la línea, a continuación se muestran las ordenes básicas.    

Si los sensores están sobre la línea se procede/avanza Si el sensor de la derecha ha salido de la línea, giramos hacia la izquierda El sensor de la izquierda ha salido de la línea, giramos hacia la derecha Los dos sensores están fuera de la línea, sigue con lo que estabas realizando.

Para nuestra aplicación consideraremos que la salida de estos sensores será "0" cuando vean "blanco" y "1" cuando vean "negro". Una vez montado el circuito y polarizado se puede comprobar que todos los LEDs infrarrojos de los QRD1114. Para asegurarnos que los fototransistores de los QRD1114 están trabajando correctamente deberemos comprobar el voltaje de las salidas. Con una superficie reflectante (un trozo de papel blanco) deberemos obtener un voltaje superior a 3 volts aproximadamente; en ausencia de algún objeto que refleje la luz infrarroja emitida por los LEDs mediremos aproximadamente 1 volt, este valor puede variar dependiendo de la luz del ambiente en el que estemos trabajando, aspecto que debe ser considerado en la programación del robot.

La percepción de este robot es de tipo visual, aunque no debemos pensar que el robot va a ver. Su captación visual consiste en diferenciar entre dos colores. Para este caso, la línea de color negro sobre una superficie blanca. Aprovechando la propiedad física de la reflexión, el diodo emite una luz infrarroja dirigida hacia el suelo, y el fototransistor recibe los fotones generados por la reflexión que se produce sobre el suelo. La resistencia eléctrica de un objeto es una medida de su oposición al paso de la corriente. Una resistencia ideal es un elemento pasivo que disipa la energía en forma de calor según la ley de Joule También establece una relación de proporcionalidad entre la intensidad de la corriente que la atraviesa y la tención medible entre sus extremos, relación conocida como ley de OHM. [1] El circuito integrado L293D Incluye cuatro circuitos para manejar cargas de potencia media, en especial pequeños motores y cargas inductivas, con la capacidad de controlar corriente hasta 600 mA en cada circuito y una tensión entre 4,5 V a 36 V. Los circuitos individuales se pueden usar de manera independiente para controlar cargas de todo tipo y, en el caso de ser motores, manejar un único sentido de giro. Pero además, cualquiera de estos cuatro circuitos sirve para configurar la mitad de un puente H. Ya sabemos que nuestro circuito tendrá dos entradas: los dos sensores "C1" y "C2", y cuatro salidas: "S1" y "P1" para el motor izquierdo y "S2" y "P2" para el motor derecho

Figura 29 diagrama de bloque fuente [1]

Tomando en cuenta esto, consideramos que los motores operaran bajo ciertas condiciones. . Cada motor es gobernado mediante 2 bits: el bit "P" (power) indica si el motor está encendido (1) o apagado (0), y el bit "S" que indicará el sentido de giro, "0" (derecha) y "1" (izquierda).

Figura 30 función del motor Fuente [1]

Par que todo esto pueda operar es necesaria una fuente de alimentación, en este caso es recomendable una batería lipo por las características que tiene. [1] Tabla de verdad Vamos a definir el comportamiento, ya descrito anteriormente con palabras, a través de una tabla de verdad:

Figura 31 tabla de verdad del funcionamiento Fuente [1]

Arduino: El arduino es el responsable de la lectura de los sensores, la toma de decisiones y el control de los motores. Para realizar este robot seguidor de línea es necesario un micro controlador, en nuestro caso hemos utilizado la placa Arduino A continuación, tendremos el robot montado junto a los componentes electrónicos y únicamente tendremos que interconectarlos todos a través de cables unifilares a la placa de Arduino sirviéndonos de protoboard.

Figura 32 Conexiones Fuente [1]

Una vez realizado el montaje se procede a introducir el código para controlar el móvil. A continuación se sugiere un código.

#include const int izq=1; const int der=2; const int ava=3; const int encendido=1; const int apagado=0; void setup() { // Guardar(0); Serial.begin(9600); pinMode(4,OUTPUT); pinMode(5,OUTPUT); pinMode(6,OUTPUT); pinMode(7,OUTPUT); }

Una vez introducido el código podemos probar el funcionamiento y en dado caso de no funcionar podemos revisar y checar las conexiones correspondientes.

Conclusiones: A partir de lo visto a lo largo de este pequeño tutorial podemos destacar 3 cosas de gran importancia y que se representan de manera general en los robots seguidores de línea. 1. Todos los rastreadores basan su funcionamiento en los sensores. Sin embargo, dependiendo de la complejidad del recorrido, el robot debe ser más o menos complejo (y, por ende, utilizar más o menos sensores). 2. Los rastreadores más simples utilizan 2 sensores, ubicados en la parte inferior de la estructura, uno junto al otro. Cuando uno de los 2 sensores detecta el color blanco, significa que el robot está saliendo de la línea negra por ese lado. En ese momento, el robot gira hacia el lado contrario hasta que vuelve a estar sobre la línea. Esto en el caso de los seguidores de línea negra, ya que también hay seguidores de línea blanca. 3. Las 2 maneras más comunes de armar los rastreadores son: OPAMPS (Amplificadores Operacionales), o con simples transistores trabajados en su zona de saturación. Esto dependiendo de la complejidad con la que se quiera armar el circuito. Podemos utilizar un microcontrolador para realizar las funciones de control o guardar en él la forma del recorrido por una pista. También sirve como escaneador eléctrico

Referencias: [1]https://www.feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria23/feria198_01_robline_ robot_seguidor_de_linea.pdf [2] https://www.feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria17/118.pdf [3] https://es.scribd.com/doc/78191609/SEGUIDOR-DE-LINEA-INFORME [4] http://www.monografias.com/trabajos96/carro-seguidor-linea/carro-seguidorlinea.shtml [5] https://es.slideshare.net/juniorapizzali/seguidor-de-linea [6] https://es.scribd.com/doc/50137469/Seguidor-Linea-Op-Amps [7]http://www.electronicaivanespinoza.com/2015/11/robot-seguidor-de-lineablanca-y-negra.html [8]https://www.taringa.net/posts/hazlo-tu-mismo/14568272/Armate-tu-robotseguidor-de-lineas-con-6-transistores-D.html [9] https://www.nextiafenix.com/producto/carrito-seguidor-de-linea/ [10] http://www.x-robotics.com/robots_simples.htm