robotica submarina
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CONTROL DE INMERSIÓN PARA PLATAFORMA ROBÓTICA SUBMARINA
Mónica Cuéllar Benavides
Zamira Angélica Daw Pérez
Lucy Prieto Rosario
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
BOGOTA D.C.
2004
i
CONTROL DE INMERSIÓN PARA PLATAFORMA ROBÓTICA SUBMARINA
T.G. 0416
Mónica Cuéllar Benavides
Zamira Angélica Daw Pérez
Lucy Prieto Rosario
Trabajo de Grado presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico
Ing. Carlos Alberto Parra Rodríguez. Ph.D.
Director
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
BOGOTA D.C.
2004
ii
ARTICULO 23 DE LA RESOLUCIÓN No. 13 DE JUNIO DE 1946
“La universidad no se hace responsable de los conceptos emitidos por sus
alumnos en sus proyectos de grado.
Solo velará porque no se publique nada contrario al dogma y a la moral católica y
porque los trabajos no contengan ataques o polémicas puramente personales.
Antes bien, que se vea en ellos el anhelo de buscar la verdad y la justicia.”
iii
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA
RECTOR MAGNÍFICO: R.P. GERARDO REMOLINA S.J.
DECANO ACADEMICO: Ing. ROBERTO ENRIQUE MONTOYA VILLA
DECANO DEL MEDIO UNIVERSITARIO: R.P. ANTONIO J. SARMIENTO S.J.
DIRECTOR DE CARRERA: Ing. JUAN CARLOS GIRALDO
DIRECTOR DEL PROYECTO: Ing. CARLOS ALBERTO PARRA RODRIGUEZ
iv
AGRADECIMIENTOS
A Carlos por ser el que nos da la luz en los momentos de oscuridad, nos da
tranquilidad en los momentos de turbulencia y por creer en nuetras capacidades y
dedicación.
A Camilo Otalora por sus conocimientos, por tener la solución en el momento
indicado, y por retarnos a probar cosas nuevas.
A Martha Manrique por brindarnos sus conocimientos, por su apoyo, por su
dedicación, disponibilidad y por su buena energía la cual siempre estuvo con
nosotras.
A Alejandra González, por creer en nostras, apoyarnos y comprendernos.
A Camilo Jiménez por brindarnos sus conocimientos, su apoyo
A Alvaro por brindarnos su apoyo, su habilidad manual y sus conocimientos
A Fabián Guiza y Alejandro Frasica por ser nuestra fuente de inspiración
A Claudia por darnos el apoyo que necesitamos en el momento indicado
A Glorita por estar pendiente de nosotras y apoyo
Al laboratorio de Electrónica por estar dispuestos a colaborarnos siempre
A los laboratorios de Procesos Industriales y de Hidráulica por su colaboración y
disposición
v
A Carlos Prieto por brindarnos su apoyo, sus conocimientos y sus ganas de
trabajar
A Maria Angélica y Felipe por hacer posible la adquisición de NEMO
A Lauris y a Lilian por darnos fuerza, animo y apoyo en las noches de trabajo
A Disney por permitirnos trabajar sobre su juguete NEMO
vi
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN................................................................................................. 1 2. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 3
2.1 FUERZAS QUE ACTÚAN EN EL MOVIMIENTO DE UN PEZ.................. 3 2.2 PROPULSIÓN............................................................................................ 6 2.3 FLOTABILIDAD Y ESTABILIDAD .............................................................. 9 2.4 OTRAS PLATAFORMAS ROBÓTICAS SUBACUÁTICAS ...................... 11 2.5 PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS EN EL AGUA..................................... 16 2.6 COMUNICACIÓN DE LAS BALLENAS.................................................... 17 2.6 HIDRÓFONOS......................................................................................... 18 2.7 SERVOMOTORES................................................................................... 19 2.8 MOTORES DC......................................................................................... 21 2.9 ACELERÓMETRO ................................................................................... 23 2.10 SENSOR DE PRESION......................................................................... 24 2.11 IMPERMEABILIZACION ........................................................................ 24 2.12 MATERIALES ........................................................................................ 25
3. ESPECIFICACIONES.................................................................................... 28 3.1 ESTRUCTURA FÍSICA ....................................................................... 28 3.2 SISTEMA ELECTRÓNICO....................................................................... 30
4. DESARROLLO .............................................................................................. 36 4.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO...................................................... 36 4.2 SIMULACIÓN DE LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE LA PLATAFORMA DEBAJO DEL AGUA............................................................. 49 4.3 PLATAFORMA ROBOTICA ..................................................................... 56
5. ANALISIS DE RESULTADOS ....................................................................... 78 5.1 Relación del empuje y velocidad de la plataforma con diferentes tipos de colas............................................................................................................... 78 5.2 Relación entre el voltaje de entrada, la frecuencia angular de la cola y su empuje. .......................................................................................................... 96 5.3 Comunicación .......................................................................................... 97
6. CONCLUSIONES ........................................................................................ 106 BIBLIOGRAFÍA................................................................................................ 108 ANEXOS.......................................................................................................... 111
Preparación del yeso.................................................................................... 111 Proceso para realizar la estructura en resina poliéster y fibra de vidrio. ...... 111 Pruebas para la impermeabilización. ........................................................... 112 Fabricación de las colas en los diferentes materiales .................................. 112 Fabricación de la aleta pectoral izquierda .................................................... 120 Fabricación empaque en látex ..................................................................... 121
vii
TABLA DE FIGURAS Figura 1. Fuerzas que actúan en un pez en movimiento......................................... 4 Figura 2. Clasificación de los peces. ....................................................................... 6 Figura 3. Descripción del movimiento de la cola articulada..................................... 8 Figura 4. Movimientos Inestables de los peces..................................................... 11 Figura 5. Robotuna................................................................................................ 12 Figura 6. Robopike. ............................................................................................... 13 Figura 7. Estructura Fisica Fish RobotPF-200....................................................... 14 Figura 8. Proyecto Raya........................................................................................ 15 Figura 9. Plataforma Robot Subacuatica Propulsada por Aletas........................... 16 Figura 10. Servomotor........................................................................................... 20 Figura 11. Movimiento del servomotor según el ángulo. ....................................... 21 Figura 12. Motor DC.............................................................................................. 21 Figura 13. Rotor del motor DC. ............................................................................. 22 Figura 14. Estator de un motor DC........................................................................ 23 Figura 15. Vista lateral de la plataforma................................................................ 28 Figura 16. Estructura externa. ............................................................................... 29 Figura 17. Compartimiento para la batería. ........................................................... 29 Figura 18. Estructura interna de la plataforma. ..................................................... 30 Figura 19. Batería.................................................................................................. 33 Figura 20. Sensor de presión. ............................................................................... 34 Figura 21. Motor DC.............................................................................................. 35 Figura 22. Servomotor........................................................................................... 35 Figura 23. Descripción plataforma original. ........................................................... 36 Figura 24. Plataforma base. .................................................................................. 37 Figura 25. Modelo en yeso de la estructura interna de la plataforma.................... 38 Figura 26. Envase de Taperware. ......................................................................... 39 Figura 27. Canaleta de la estructura interna. ........................................................ 40 Figura 28. Espada de la estructura interna. .......................................................... 40 Figura 29. Cola del juguete de Disney – Pixar “Finding Nemo”............................. 41 Figura 30. Forma 1................................................................................................ 41 Figura 31. Forma 2................................................................................................ 41 Figura 32. Forma 3................................................................................................ 42 Figura 33. Forma 4................................................................................................ 42 Figura 34. Plataforma de pruebas. ........................................................................ 43 Figura 35. Parlante piezoeléctrico. ........................................................................ 44 Figura 36. Amplificador de instrumentación de los............................................... 44 Figura 37. Circuito de polarización fototransistores y comparador....................... 45 Figura 38. Interfaz grafica de plataforma de pruebas............................................ 46 Figura 39. Cola forma 4........................................................................................ 47 Figura 40. Vista lateral del juguete de Disney. ...................................................... 47 Figura 41. Aleta pectoral izquierda de la plataforma. ............................................ 48
viii
Figura 42. Batería.................................................................................................. 49 Figura 43. Empaque en látex de la batería, el sensor de presión y....................... 49 Figura 44. Fuerzas ejercidas en la plataforma. ..................................................... 50 Figura 45. Pesos en la tapa................................................................................... 54 Figura 46. Estabilidad lateral de la plataforma. ..................................................... 54 Figura 47. Descripción del movimiento de la plataforma robótica. ....................... 57 Figura 48. Interfaz con el usuario. ......................................................................... 58 Figura 49. Parlante de membrana con impermeabilización ................................. 59 Figura 50. Trama de transmisión........................................................................... 62 Figura 51. Filtro pasabanda................................................................................... 63 Figura 52. Amplificador de potencia. ..................................................................... 63 Figura 53. Etapas de polarización y preamplificación. .......................................... 65 Figura 54. Etapa de filtrado. .................................................................................. 65 Figura 55. Etapa de amplificación. ........................................................................ 66 Figura 56. Método para hallar la frecuencia. ......................................................... 69 Figura 57. Peso movible sujetado al servomotor................................................... 72 Figura 58. Amplificador de instrumentación del sensor de presión. ...................... 73 Figura 59. Circuito para el motor DC..................................................................... 74 Figura 60. Movimiento de inmersión. .................................................................... 76 Figura 61. Movimiento de emersión. ..................................................................... 76 Figura 62. Entorno de pruebas.............................................................................. 78 Figura 63. Forma 1 caucho silicona. ..................................................................... 79 Figura 64. Forma 2 caucho silicona ...................................................................... 81 Figura 65. Forma 3 caucho silicona. ..................................................................... 82 Figura 66. Forma 1 caucho silicona con acetato. .................................................. 83 Figura 67. Forma 2 caucho silicona con acetato. .................................................. 84 Figura 68. Forma 3 caucho silicona con acetato ................................................... 86 Figura 69. Forma 1 caucho silicona con zinc ........................................................ 87 Figura 70. Forma 2 caucho silicona con zinc ........................................................ 88 Figura 71. Forma 3 caucho silicona con zinc ........................................................ 90 Figura 72. Forma 4 caucho silicona con zinc. ....................................................... 91 Figura 73. Forma 1 PVC ....................................................................................... 93 Figura 74. Forma 2 PVC ....................................................................................... 94 Figura 75. Forma 3 PVC ....................................................................................... 95
ix
TABLA DE DIAGRAMAS Diagrama 1. Diagrama de todo el sistema. ........................................................... 31 Diagrama 2. Módulo de plataforma de pruebas. ................................................... 43 Diagrama 3. Diagrama en bloques del sistema de comunicación y plataforma robótica. ................................................................................................................ 56 Diagrama 4. Diagrama en bloques del módulo de transmisión. ............................ 61 Diagrama 5. Diagrama en bloques de la plataforma robótica. .............................. 64 Diagrama 6. Diagrama de flujo del algoritmo de la comunicación......................... 67 Diagrama 7. Diagrama de flujo de la función frecuencia. ...................................... 68 Diagrama 8. Diagrama de flujo de la función decode............................................ 69 Diagrama 9. Diagrama de flujo del algoritmo de control........................................ 75 TABLAS Tabla 1. Velocidad del sonido en diferentes líquidos. ........................................... 18 Tabla 2. Asignación de frecuencias a cada bit. ..................................................... 62 Tabla 3. Rango de frecuencias para ser aceptada como válida o no.................... 70 Tabla 4. Promedio de la señal medida a distancia distintas y tipo de pruebas. .... 98 Tabla 5. COMPORTAMIENTO PROMEDIO DE Vo/Vin A DISTANCIAS ............ 100
x
INTRODUCCIÓN
Hace ya algunos años se ha vuelto la mirada a la naturaleza para que nos de sus
secretos a la hora de hacer plataformas robóticas. Esta nueva tendencia se debe a
la eficiencia que la naturaleza muestra en cada animal y planta que la conforman,
al hacer una acción determinada.
Por otro lado el mar es un medio sin explorar, lo cual genera curiosidad que más
adelante se convierte en investigación. Para explorar este medio se han utilizado
diferentes métodos, uno de estos son las plataformas acuáticas bioinspiradas, que
presentan gran eficiencia.
En este proyecto se propone una plataforma bioinspirada que este en capacidad
de sumergirse a una profundidad específica, por medio del cambio del centro de
masa de la plataforma con respecto al centro de flotabilidad y de recibir órdenes a
través de una comunicación acuática con base en la comunicación que utilizan las
ballenas.
También se busca explicar la selección del propulsor, la cola; gracias a un estudio
experimental del empuje de la plataforma que tiene con las diferentes colas, para
así establecer la relación que tiene el tamaño, forma y material de la cola con
respecto al empuje que genera la misma.
Se plantea en esta plataforma un control proporcional saturado para la inmersión y
emersión de la misma y de esta manera lograr una trayectoria suave en los
movimientos de la plataforma robótica dentro del agua. Este control esta basado
en la simulación de las fuerzas que interactúan en la plataforma tanto
estáticamente como dinámicamente.
1
Se expone también en este trabajo un estudio del comportamiento del sonido
dentro del agua, y de este modo lograr encontrar las características que hagan
más eficiente la comunicación dentro del medio. La comunicación es utilizada
para darle órdenes a la plataforma robótica en cuanto al movimiento se refiere.
Este trabajo pretende abrir nuevos horizontes en la investigación de proyectos
bioinspirados ya sean de plataformas robóticas submarinas o de la comunicación
dentro del agua, en la Pontificia Universidad Javeriana.
2
2. MARCO TEÓRICO
2.1 FUERZAS QUE ACTÚAN EN EL MOVIMIENTO DE UN PEZ
Un fluido, como lo es el agua, tiene unas características muy importantes que se
deben tener en cuenta cuando se quieren conocer las fuerzas que actúan sobre
un pez en movimiento. Estas características son la incompresibilidad y la
densidad. Gracias a que este fluido es incompresible cualquier movimiento que se
ejecute dentro de el, hace que el agua que se encuentra alrededor del cuerpo, en
este caso del pez, entre en movimiento también1.
Cuando un animal se encuentra en movimiento dentro del agua, se presenta una
transferencia de momento desde el pez hacia el agua que se encuentra
rodeándolo y viceversa. El principal momento que se presenta durante este
movimiento es generado por las fuerzas de: arrastre, empuje y reacción de la
aceleración. Las fuerzas de arrastre y de empuje se originan por la viscosidad del
agua y el flujo asimétrico. Este último se origina gracias a que el flujo que pasa por
un lado del pez no es el mismo que pasa por el otro y el empuje siempre va
perpendicular a la dirección del flujo. La fuerza de reacción de la aceleración es
una fuerza inercial que se genera por la resistencia del agua alrededor del cuerpo
del pez dada por los cambios de velocidad.
Las fuerzas que actúan en el pez son: peso, flotabilidad y empuje hidrodinámico
en dirección vertical y en sentido horizontal, la fuerza de impulso y la resistencia
(Figura 1). Cuando la flotabilidad es negativa, el empuje hidrodinámico se genera
para balancear las fuerzas verticales haciendo que el pez no se hunda. Muchos
3
peces logran esto manteniendo las aletas en continuo movimiento.
Figura 1. Fuerzas que actúan en un pez en movimiento2.
Para que un pez genere su propia propulsión, a una velocidad constante, se
requiere que las fuerzas y momentos que actúan sobre él estén balanceados. Por
esta razón la fuerza de empuje que se tiene en contra del agua debe ser mayor a
la resistencia que pone el mismo fluido para que el pez se mueva hacia adelante.
La distribución de la presión del fluido en torno al pez depende de dos fuerzas
que actúan en conjunto: la inercia y la viscosidad; su relación, conocida como
número de Reynolds, describe el comportamiento del fluido.
El número de Reynolds se define como:
vUL *Re =
Ecuación 1
Donde L es la longitud del propulsor, U es la velocidad de nado y v es la
viscosidad del agua. Cuando los números de Reynolds son altos, la fuerza viscosa
desaparece y solo actúan las fuerzas inerciales. Ocurre lo contrario cuando los
números de Reynolds son bajos, las fuerzas inerciales desaparecen y solo actúan
las viscosas. Se ha demostrado que los peces cuando nadan experimentan un
1 SFAKIOTAKIS, Michel; LANE, Jane; DAVIES, Bruce; “Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion”; IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 24, No. 2, Abril 1999. 2 SFAKIOTAKIS, Michel; LANE, Jane; DAVIES, Bruce; “Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion”; IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 24, No. 2, Abril 1999.
4
número de Reynolds alto lo que indica que el avance que experimentan se debe al
comportamiento del fluido en la parte donde se propulsa, en este caso la cola3.
La frecuencia reducida σ indica la importancia de los efectos de la inestabilidad en
el flujo y se define como:
ULf *2πσ =
Ecuación 2
Donde f es la frecuencia de oscilación, L es la longitud característica, y U es la
velocidad de nado. La frecuencia reducida relaciona el tiempo que toma una
partícula de agua para atravesar la longitud de un objeto con el tiempo que le toma
en terminar un ciclo del movimiento. Se utiliza para saber si la fuerza de reacción
es considerable en el movimiento, con respecto a la fuerza de arrastre y el empuje
hidrodinámico. Para σ <0.1, los movimientos considerados son razonablemente
constantes y las fuerzas de reacción tienen poco efecto. Para 0.1<σ<0.4, los tres
mecanismos de la generación de la fuerza son considerables, mientras que para
valores más grandes de σ, la fuerza de reacción es dominante. En la práctica,
para la gran mayoría de propulsores, la frecuencia reducida pocas veces es
menos de los 0,1.
Finalmente, la forma de los peces y el propulsor afectan en gran parte la magnitud
de los componentes de la fuerza. La relación se fundamenta en la estabilidad
entre el arrastre y el empuje hidrodinámico.
La eficiencia es una medida común del movimiento de los peces en el agua, esta
definida como:
)()(PUT
=η Ecuación 3
Donde U es la velocidad media del pez, (T) es el tiempo promedio producido por el
3 GUIZA, Fabián; FRASICA, Alejandro; “Proyecto Raya Plataforma Robótica Subacuatica
5
empuje y (P) es el tiempo promedio producido por la potencia requerida.
2.2 PROPULSIÓN
El Zoólogo C.M. Breder clasificó a los peces en tres categorías dependiendo de la
longitud de la cola y de las oscilaciones que estos producen. Estas categorías son:
Anguilliform, Carangiform y Ostraciform (Figura 2)4.
Figura 2. Clasificación de los peces. Anguilliform: Este pez utiliza como propulsor todo su cuerpo ya que posee un
músculo que va desde la cabeza hasta la cola. Son capaces de nadar hacia
delante y hacia atrás con solo alterar la dirección de propagación de la propulsión.
Carangiform: Este pez utiliza como propulsor la oscilación y el movimiento
pendular de la cola. Su cuerpo es rígido, por esta razón su habilidad para acelerar
y girar están estrechamente comprometidas.
Ostraciform: Este pez utiliza la cola como único propulsor, su cuerpo es
totalmente rígido.
Controlada por un Algoritmo Genético”; Pontificia Universidad Javeriana, 2002. 4 Online: http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/fish/general/principle/index_e.html
6
Propulsión en peces robots Dentro de los peces robots que se han hecho en diferentes centros de
investigación se tienen cuatro categorías que también se clasifican por la forma
como se propulsionan en el medio acuático. Estas categorías son: onda que
cambia, hoja del cuerpo, aleta oscilante y placa oscilante.
Onda que cambia: Este tipo de pez robot se mueve gracias a la oscilación de un
músculo que se encuentra en todo el cuerpo. Para lograr esta fuerza de propulsión
es necesario que la velocidad de la oscilación sea mayor que la velocidad de la
plataforma y que la amplitud que se forma en la oscilación de la cola sea más
grande que la amplitud de la cabeza.
Hoja de cuerpo: Estos peces para moverse empujan el agua usando una
oscilación de la cola y el movimiento del cuerpo. Este tipo de movimiento genera
una fuerza positiva y una negativa, dicho en otras palabras, genera una fuerza de
acción y una de reacción, la fuerza total es la fuerza de propulsión.
Aleta oscilante: Estos peces se mueven gracias a una aleta oscilante. El
movimiento producido se debe a la combinación del levantamiento y del
movimiento de pluma de este tipo de cola.
Placa oscilante: Utilizan como propulsión únicamente la cola, la cual tiene forma
de placa, y su cuerpo se mantiene rígido todo el tiempo. El movimiento de la cola
se hace de derecha a izquierda. Este tipo de propulsión produce pocas perdidas
mecánicas en la juntura de la cola y es ideal para robots pequeños. Al poner una
aleta flexible en la cola se obtiene una mejor propulsión.
Cola articulada: Este tipo de cola permite una gran movilidad, debido a su
flexibilidad. Como se muestra en la figura 3, el movimiento sigue un patrón
sinusoidal con una diagonal a izquierda o derecha. El ángulo del péndulo de la
cola con respecto al cuerpo, es 1A y al ángulo de la aleta de la cola con respecto
7
al péndulo de la cola, es 2A .
Figura 3. Descripción del movimiento de la cola articulada5.
El funcionamiento de la propulsión depende de la relación de la magnitud, de la
frecuencia y de la fase entre los ángulos 1A y 2A
durante el movimiento de la cola.
El modelo matemático para este comportamiento se describe así:
...)1()(* max1max11 KiKaAxsenAKaA −+= Ecuación 4
...)1()(* max2max22 KiKaABxsenAKaA −+−= Ecuación 5
Cuando, = 1A max1A y 2A
= max2A , la cola se encuentra a cualquiera de los extremos
que esta alcanza.
Ka es el coeficiente de amplitud y es igual al cociente entre la amplitud actual y la
amplitud máxima que puede alcanzar la oscilación de la sección de la cola, éste
puede estar entre 0 y +1. Cuando Ka = 0, la cola no se está moviendo, cuando Ka
= +1 las secciones de cola se encuentran en sus máximas amplitudes.
5 Online: http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/fish/general/principle/index_e.html
8
Ki es un coeficiente de dirección y puede estar entre -1 y +1. Cuando Ki = 0 está
sobre el eje transversal de la plataforma; esto significa que la amplitud de la
sección de cola es igual a la izquierda y a la derecha, esto quiere decir que solo
esta actuando la fuerza de propulsión y no la de giro. Si Ki es positivo hace girar la
plataforma hacia la izquierda y si Ki es negativo la plataforma girará a la derecha.
B es la diferencia de fase entre el servomotor del péndulo de la cola y el
servomotor de la aleta de la cola. El montaje de la cola reacciona con un
movimiento periódico al sistema de propulsión.
2.3 FLOTABILIDAD Y ESTABILIDAD
2.3.1 Flotabilidad
Principio de Arquímedes
“Cualquier cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido es empujado hacia
arriba por una fuerza que es igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo”.
La fuerza que el fluido ejerce hacia arriba sobre el objeto sumergido se conoce
como Fuerza de Flotación, donde la magnitud de esta fuerza es igual al peso del
fluido desplazado por el objeto. La Fuerza de Flotación actúa verticalmente hacia
arriba a través del centro de gravedad del fluido desplazado, esta fuerza se puede
representar matemáticamente de la siguiente forma:
dff VPF *= Ecuación 6
Donde Ff es la Fuerza de Flotación, Pf es el peso específico del fluido y Vd es el
volumen desplazado del fluido.
9
Aunque el Principio de Arquímedes es válido para la mayoría de los casos, se
tienen algunas variaciones de acuerdo a la profundidad que alcance el cuerpo en
el fluido:
1 Cuerpo Sumergido que alcanza el fondo.
El cuerpo se desplazará hasta el fondo de un recipiente sí y solo sí la densidad del
material del cuerpo sumergido es mayor a la densidad del fluido, esto quiere decir
que si el peso del cuerpo es mayor que el empuje, la resultante de las fuerzas
estará dirigida hacia abajo y el cuerpo se hundirá.
2 Cuerpo Sumergido que no alcanza el fondo
Si el peso del cuerpo es igual al empuje, la resultante será nula y el cuerpo se
mantendrá en equilibrio dentro del fluido.
3 Cuerpo que flota
El cuerpo se mantendrá en la superficie del fluido sí y solo sí la densidad del fluido
es mayor que la densidad del material del cuerpo sumergido.
2.3.2 Estabilidad en los cuerpos
Un cuerpo en un fluido se considera que es estable si regresa a su posición inicial
después de haber girado un poco alrededor del eje horizontal. La estabilidad tiene
diferentes condiciones dependiendo de que tanto este o no sumergido el cuerpo.
Para que un cuerpo se mantenga estable y esté sumergido en un fluido sin
alcanzar el fondo se necesita que el peso del cuerpo sea igual al empuje, la
resultante será nula y el cuerpo se mantendrá en equilibrio dentro del fluido.
Los peces experimentan tres clases de movimientos considerados inestables.
10
Estos son: el giro que es la rotación sobre el eje longitudinal del pez, el cabeceo
que es la rotación vertical y el ladeo que es la rotación horizontal del pez (Figura
4)6.
Figura 4. Movimientos Inestables de los peces.
La estabilidad del eje longitudinal del pez se logra haciendo que coincidan en una
misma línea vertical el centro de gravedad de la plataforma y el centro de
flotabilidad ya que estas dos fuerzas son opuestas y equilibradas. Para esto los
elementos mas pesados deben ir en la parte inferior del pez y los que tengan
mayor flotabilidad en la parte de arriba.
La estabilización en el momento de la inmersión se puede lograr de dos maneras:
la primera es cambiando el centro de masa desplazando elementos que tengan
pesos considerables en relación con la plataforma hacia el sitio deseado (hacia
delante para la inmersión o hacia atrás para la emersión). La segunda es
colocando elementos, con flotabilidad positiva, que cambien de lugar el centro de
flotabilidad.
2.4 OTRAS PLATAFORMAS ROBÓTICAS SUBACUÁTICAS En los últimos años las investigaciones acerca de vehículos submarinos han ido
creciendo debido al interés que se tiene por explorar el océano, por lo que se han
6 SFAKIOTAKIS, Michel; LANE, Jane; DAVIES, Bruce; “Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion”; IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 24, No. 2, Abril 1999.
11
detenido a estudiar a los animales marinos dada su facilidad y eficiencia para
nadar en el agua. Por esto, se han emulado las características de animales
acuáticos que más adelante ayudarán a lograr plataformas más eficientes, rápidas
y capaces de adaptarse al medio.
2.4.1 Robotuna
El primer proyecto que se hizo sobre este tema fue el de Robotuna desarrollado
en el Instituto Tecnológico de Massachussets, M.I.T. El objetivo de este proyecto
era estudiar los mecanismos hidrodinámicos de un pez llevando a la práctica el
trabajo propuesto por Barret quien diseñó un prototipo de vehículo subacuatico. La
estructura física de este robot se asemejaba mucho a un atún ya que tiene un
cuerpo flexible y una aleta rígida (Figura 5). El cuerpo está conformado por 8
vértebras rígidas conectadas con poleas y cables y 6 servomotores los cuales se
encuentran en la parte exterior de la plataforma completamente
impermeabilizados. La parte exterior del Robot se encuentra recubierta por un
saco de lycra la cual hace las veces de piel para el pez.
Figura 5. Robotuna.
Este proyecto desarrolló una forma de propulsión para los vehículos subacuáticos
autónomos que alcanzó una eficiencia del 80% utilizando un Algoritmo Genético y
revolucionando así el método de propulsión para otro tipo de plataformas que tan
solo alcanzaban una eficiencia del 40%.
2.4.2 Robopike
Luego del Proyecto Robotuna se empezó a desarrollar el Proyecto Robopike en el
12
M.I.T. donde se inspiraron en la estructura física de Robotuna pero este fue
orientado a la exploración de giros y aceleración de las plataformas acuáticas
(Figura 6). Por esta razón se debieron tener muchas consideraciones físicas para
realizarlo, como son la suficiente flexibilidad para nadar y dar giros, el material en
el cual se iba a construir debía ser lo suficientemente liviano para que estuviera
muy cerca del nivel de flotación de este. Finalmente la estructura solo poseía tres
segmentos siendo este lo más parecido a un pez de verdad.
Figura 6. Robopike.
Esta plataforma utilizó una comunicación por radio frecuencia donde el usuario por
medio de un control le envía los datos al computador y este los interpreta, para
luego ser enviados a la plataforma y así lograr el movimiento deseado por el
usuario.
Para conseguir una estabilidad en el pez, se llenó la plataforma física de aire y se
colocaron componentes pesados en el fondo para que de esta manera se tuviera
una fuerza de flotabilidad igual al peso del robot. Esto hace que la plataforma no
realice movimientos indeseados, pudiendo nadar y dar giros de manera estable.
2.4.3 Fish Robot PF-200
Otro prototipo de vehículos subacuáticos fue desarrollado en el “Ship Research
Institute” en Tokio, Japón. El objetivo de esta plataforma era estudiar los
movimientos de inmersión y emersión cambiando el centro de masa. El ángulo de
13
inclinación del robot es afectado por el movimiento de un peso interno que hace
que cambien la fuerza de gravedad con respecto a la fuerza de flotabilidad,
manteniendo estas dos fuerzas en una misma línea vertical para que de esta
forma el robot sea capaz de emerger y sumergirse en el agua de una forma
estable.
La estructura de esta plataforma fue construida de tal forma que el cuerpo fuera
rígido y la aleta de la cola fuera un poco flexible para garantizar una buena
propulsión. Esta propuesta consta de un péndulo rígido (Figura 7) de peso
considerable, que cambia al sitio deseado dependiendo del movimiento que se
quiere realizar, inmersión o emersión. El movimiento del péndulo se debe a un
servomotor, el cual esta controlado por un microcontrolador, quien decide cuantos
grados debe moverse el péndulo para así obtener el movimiento deseado de la
plataforma.
Figura 7. Estructura Fisica Fish RobotPF-2007.
7 Online: http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/fish/general/principle/index_e.html
14
2.4.4 Plataformas realizadas en la Pontificia Universidad Javeriana
El Proyecto Raya, Plataforma Robótica Subacuatica Controlada por un Algoritmo
Genético, fue desarrollado en la Pontificia Universidad Javeriana en el 2002. Esta
plataforma en forma de raya, cuerpo rígido y aleta flexible oscilante permite
avanzar y dar giros. Este proyecto se enfocó en el movimiento de la cola por
medio de un motor, el cual ayudó a reducir el número de actuadores uniendo la
propulsión con el giro. La parte electrónica se encargó de controlar el movimiento
de la aleta, sensar algunas medidas como la aceleración y el consumo de energía,
además de la comunicación entre el PC y la plataforma (Figura. 8). Para su impermeabilización se utilizó un recipiente sellado hermético de tal forma
que todos los componentes como son la parte mecánica y la parte electrónica se
encuentren totalmente impermeabilizados en el momento del contacto con el
agua.
Figura 8. Proyecto Raya.
Otro proyecto realizado en la Pontificia Universidad Javeriana fue Plataforma
15
Robot Subacuática Propulsada por Aletas Pectorales. El objetivo de este proyecto
era emular el movimiento de una raya, en especial la de la especie Eagle Ray
(Figura 9).
Figura 9. Plataforma Robot Subacuatica Propulsada por Aletas Pectorales.
La plataforma cuenta con cuatro actuadotes independientes los cuales son
accionados por un arreglo mecánico basado en engranajes. Este arreglo le
transmite las características de torque y velocidad a un servomotor, estos se
encuentran localizados a los extremos del robot. De esta manera se logra emular
el movimiento de la raya combinando los modos oscilatorios y ondulatorios.
2.5 PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS EN EL AGUA
El sonido es un fenómeno físico que se produce cuando un objeto vibra y genera
una serie de ondas de presión que de forma alternativa comprimen y
descomprimen las moléculas del aire, agua o sólido por los que pasan las ondas.
Estos ciclos de compresión y descompresión, se pueden describir en términos de
frecuencia. En 1877 y 1878, el científico británico John William Strutt, realizó
descubrimientos claves en los campos de la acústica y la óptica que son
importantes para la teoría de la propagación de las ondas en fluidos, como es el
agua.
16
Existen una serie de factores que influyen en la distancia que el sonido puede
recorrer debajo del agua y su duración. Por una parte, las partículas de agua
pueden reflejar, dispersar y absorber ciertas frecuencias de sonido al igual que
ciertas partículas de la atmósfera puede reflejar, dispersar y absorber
determinadas longitudes de onda de la luz. El agua de mar absorbe 30 veces la
cantidad de sonido absorbida por el agua destilada, con sustancias químicas
específicas (como sulfato de magnesio y ácido bórico) atenuando ciertas
frecuencias de sonido. Los sonidos de baja frecuencia, cuyas longitudes de onda
de gran amplitud pasan sobre partículas minúsculas, tienden a desplazarse más
lejos sin que se produzca ninguna pérdida por absorción o dispersión. Las
oscilaciones de las partículas de agua en estas ondas no quedan limitadas a la
superficie, sino que se extienden con amplitud decreciente hasta el fondo, la
velocidad con la que se desplazan estas ondas en el agua es de 1435 m/s.
La velocidad del sonido disminuye a medida que la temperatura del agua baja. Por
debajo de cierta distancia donde la temperatura es casi constante, la velocidad no
cambia aunque el aumento de presión provoca que la velocidad del sonido
aumente. Debido a que las ondas del sonido se curvan o refractan en dirección a
la región de velocidad mínima, los cambios de temperatura o presión provocan
que las ondas sonoras reboten de un lado para otro dentro de una región llamada
canal de sonido profundo (conocido también como el canal SOFAR). En este
canal, el sonido recorre largas distancias con una pérdida mínima de señal.
2.6 COMUNICACIÓN DE LAS BALLENAS
La comunicación que tienen las ballenas entre ellas siempre ha sido motivo de
estudios e investigaciones por su desarrollado método para hacerlo. Dentro de
estos estudios e investigaciones se han llegado a conclusiones muy interesantes
como por ejemplo que el sonido se transmite mejor en el agua que en el aire.
17
Esto se debe a que las ondas sonoras se transmiten gracias a la compresión y la
expansión del medio por donde están viajando, lo cual se cumple por las
propiedades del agua. Como la velocidad con la que viaja el sonido esta
estrechamente relacionada con las características del medio, se puede concluir
que cuando la densidad del agua aumenta la velocidad de transmisión aumenta
también. Por esta razón si se tienen cambios en la temperatura, la salinidad o la
presión del agua la velocidad no va ser la misma, como lo muestra la siguiente
tabla.
Liquido Temperatura (°C) Velocidad (m/s)
Agua 0 1402
Agua 20 1482
Agua marina
(3.5% salinidad) 20 1522
Tabla 1. Velocidad del sonido en diferentes líquidos.
Las ballenas son animales que emiten sonidos de bajas frecuencias y se
encuentran en el rango de los 30Hz hasta los 8kHz, aunque esto cambia según la
familia de estos mamíferos. Estos sonidos alcanzan grandes distancias y se puede
decir que en condiciones optimas, es decir, en un medio marítimo sin ruido, el
sonido emitido por una ballena es capaz de viajar de una punta del océano a otra.
Sus cantos se encuentran entre los 184 y 186 decibeles.
2.6 HIDRÓFONOS
Los hidrófonos son transductores que convierten la energía sonora en energía
eléctrica dentro del agua. Estos son capaces de capturar sonido a grandes
distancias y han sido de gran utilidad para hacer estudios acerca de la
comunicación que tienen lo animales en el mar.
Esta conversión de energía se logra gracias al transductor cerámico (micrófono)
18
que se encuentra dentro de los hidrófonos y es utilizado en cualquier tipo de
transmisión sonora teniendo como medio el aire. Estos hidrófonos tienen en su
interior preamplificadores de bajo ruido, los que hacen que la amplitud recibida de
la fuente se incremente, esto ayuda a minimizar el ruido.
Existen hidrófonos Omnidireccionales y Direccionales. Los primeros reciben
señales en cualquier dirección sin cambiar su sensitividad. Son utilizados en
telemetría para capturar sonidos marinos o capturar información de transmisores
estacionarios. Los segundos tienen mayor sensitividad en una sola dirección, son
utilizados para sistemas de localización y ajustes en navegación.
2.7 SERVOMOTORES
Un servomotor es un motor eléctrico de precisión en el que se pueden controlar su
velocidad y/o posición. La posición del eje varía dependiendo de la posición
angular la cual es enviada por medio de una señal de control. Mientras la señal de
control exista a la entrada de la línea, el servomotor mantiene su posición angular.
A medida que la señal de control cambia, la posición angular del eje cambia
también. Tiene aplicaciones como control de radio para aviones, carros, robots y
ascensores. El servomotor esta compuesto por un circuito de control, un conjunto
de engranajes, un motor y una caja donde se encuentran todos estos elementos.
También tiene cables que están conectados con el exterior, uno es para la fuente
de 5 voltios, el otro es para tierra y el último es para la señal de control (Figura 10).
19
Figura 10. Servomotor.
El servomotor tiene un circuito de control que esta conectado a la salida del eje
por medio de un potenciómetro. Este permite que el circuito de control este
sensando el ángulo del servo, si el eje está en un ángulo correcto el motor
permanece quieto. Si no es así entonces el motor se mueve en la posición
correcta hasta que el ángulo sea el deseado. La salida del servomotor es capaz de
moverse alrededor de 180 grados.
El cable de control es por el cual se comunica el ángulo. Este ángulo esta
determinado por la duración del pulso que es aplicado en el cable de control. Esto
se llama pulse PCM (Pulse Code Modulation), el servomotor espera un pulso cada
20ms. La longitud del pulso determinará que tanto el motor se mueve, por ejemplo,
un pulso de 1.5ms hace que el motor rote un ángulo de 90 grados. Pulsos
menores de 1.5ms el motor rota hacia cero grados y mayores a 1.5ms el motor
rota hacia 180 (Figura 11).
20
Figura 11. Movimiento del servomotor según el ángulo.
2.8 MOTORES DC Los motores DC (Direct Current), también conocidos como Motores CC (Corriente
Continua) son usados generalmente en robótica (Figura. 12). Se pueden encontrar
motores de diferente tamaño, forma o potencia pero el principio de funcionamiento
es el mismo para cualquiera de ellos.
Aplicándole un voltaje entre sus bornes se logra que este empiece a girar, cuando
se necesita un giro contrario simplemente se invierte la polaridad de la entrada.
Estos motores, a diferencia de los servomotores o motores paso a paso, no
pueden ser posicionados, es decir, no se mantienen en una posición sino están en
constante movimiento.
Figura 12. Motor DC.
21
Un motor DC esta conformado básicamente por un rotor y un estator. El rotor es
el que constituye la parte móvil del motor, este le proporciona el torque para mover
la carga. El rotor esta conformado por un eje, un núcleo, un devanado y un
colector, como se muestra en la figura 13.
El eje esta formado por una barra de acero fresada que le da la rotación al núcleo,
al devanado y al colector. El núcleo esta localizado sobre el eje, este proporciona
un trayectoria magnética entre los polos para que el flujo magnético del devanado
circule. El devanado consta de unas bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de
la armadura. Estas bobinas se encuentran conectadas eléctricamente con el
colector. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor de
modo que gira con éste y esta en contacto con las escobillas. Su función es
recoger la tensión producida por el devanado reducido transmitiéndola al circuito
por medio de las escobillas.
Figura 13. Rotor del motor DC.
El estator es la parte fija de la maquina (Figura. 14), este suministra el flujo
magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar el movimiento
giratorio. El estator esta formado por: el armazón, imán permanente y las
escobillas.
22
El armazón tiene dos funciones importantes, servir de soporte y proporcionar una
trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y al imán permanente. El imán
permanente se encuentra fijado al armazón del estator, su función es proporcionar
un campo magnético uniforme al devanado del rotor para que interactúe con el
campo formado por el bobinado y así se origine el movimiento del rotor como
resultado de la interacción de estos campos. La función de las escobillas es
transmitir la tensión y la corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y
por ende al bobinado del rotor.
Figura 14. Estator de un motor DC.
2.9 ACELERÓMETRO El acelerómetro es un dispositivo que mide la aceleración en dos ejes. Este arroja
una señal de salida DC proporcional a la aceleración que experimenta en cada
eje, a parte de tener esta salida análoga tiene una digital, la cual varía el ciclo útil
dependiendo de la entrada. Los acelerómetros son capaces de medir aceleración
tanto negativa como positiva. Puede medir aceleración estática como es la
gravedad o aceleración dinámica. Su funcionamiento consiste en un condensador
diferencial de placas cada una independiente entre sí y una placa central con una
masa capaz de moverse proporcional a la aceleración. Cuando se experimenta
una aceleración se produce una deflexión resultando así una señal cuadrada con
un ciclo útil proporcional a esta deflexión.
23
2.10 SENSOR DE PRESION Un sensor de presión utiliza galgas de torsión para medir la presión. Normalmente
miden la presión relativa a la presión atmosférica, pero en algunas ocasiones es
necesario conocer la presión relativa entre dos puntos, a estos sensores se les
conoce como sensores de presión diferencial.
Dentro del sensor existen dos diafragmas separados por una galga en el centro,
se conoce como el diafragma sensor, y su función es impedir el paso de fluido
interno de un lado hacia otro. Uno de los diafragmas se encuentra sujeto a una
presión constante o de referencia la cual puede ser la presión atmosférica.
También, en los sensores diferenciales, se pueden aplicar dos presiones y la
posición del diafragma sensor será una función de la presión diferencial.
2.11 IMPERMEABILIZACION
La impermeabilización es factor importante a tener en cuenta al momento de
construir una plataforma robótica subacuatica, ya que es aquí donde los
componentes, tanto electrónicos como mecánicos, se encuentran protegidos del
agua.
Existen varios tipos de impermeabilización los cuales dependen en su mayoría de
si se necesita tener acceso al circuito constantemente o no. Cuando no es
necesario se puede utilizar cajas selladas por silicona o resina garantizando así
que la caja quede completamente sellada. Cuando se necesita tener acceso al
circuito y a los actuadores de la plataforma se puede optar por ponerlos fuera del
agua en un sitio externo al robot o utilizar mecanismos donde se tenga fácil
acceso a ellos y al mismo tiempo no se mojen cuando se este trabajando dentro
del agua. Para esto son buenas las soluciones como las bolsas de ziploc, los
recipientes para comida o tapper ware, tubos de PVC o el sistema de empaque
que tienen los termos o frascos para cargar los líquidos. Algunas de estas
24
soluciones fueron implementadas por estudiantes de la Pontificia Universidad
Javeriana.
2.12 MATERIALES
2.12.1 Caucho Silicona
Algunas de las características del Caucho Silicona son:
• Material ideal para obtener moldes a partir de un Modelo Inicial.
• Ofrece gran versatilidad para el uso en diferentes campos.
• Permite gran fidelidad de copiado.
• Flexibilidad y Manejo.
• Facilita la fabricación de objetos en diferentes materiales como resinas,
epóxicas, poliésteres, acrílicos, yeso, cemento y algunas aleaciones
metálicas con bajo punto de fusión.
• Es una mezcla que carece de disolventes y plastificaciones con minerales
de relleno.
• Se pueden lograr diferentes composiciones que van desde ligeramente
fluidos hasta consistencias gelatinosas.
El caucho silicona se puede utilizar en las siguientes áreas:
• Artes decorativas: producción de objetos, películas, sellos, velas
decorativas.
• En la industria del Mueble: Partes de muebles, puertas, paredes que por
lo general se hacen en base de resinas poliéster con polvo de madera,
los cuales después del Barniz toman la apariencia de madera.
• En la construcción: En la restauración de molduras antiguas,
monumentos, murales en relieve.
25
2.12.2 Resinas de poliéster insaturado
Es un compuesto que resulta de la reacción de dos grupos carboxílicos con un
ácido y de dos grupos hidroxílicos con alcoholes. El poliéster utilizado en la
construcción de la plataforma tiene una parte alifática y aromática y su principal
característica es que posee dobles enlaces en su estructura, de lo cual se deriva
su nombre insaturado. Dicha característica, lo capacita para sufrir otra
polimeración con monómeros insaturados.
El proceso para obtener la resina utilizada se conoce como proceso de curado y
consiste en generar radicales libres o en otras palabras, romper los dobles
enlaces; una vez se rompe un doble enlace, se sigue una reacción de rompimiento
en cadena, hasta saturar todos los dobles enlaces.
El agente de rompimiento de los dobles enlaces, se denomina el catalizador o
iniciador (mek peróxido) y el reductor más común es el ion de cobalto (octoato de
cobalto) que se conoce comúnmente como acelerador.
La propiedad más importante de las resinas de poliéster insaturado es su habilidad
para transformarse del estado líquido al sólido. Dicho cambio se logra por la
adición de una catalizador que es activado por un acelerador o activador.
2.12.3 Fibra de vidrio
Se usa normalmente en láminas y algunas de sus características son:
• Alta resistencia a la fatiga.
• Resistencia térmica.
• Resistencia a químicos y ácidos fuertes.
• Retardante al fuego.
• Incombustible
26
2.12.4 Cloruro de polivinilo
El Cloruro de polivinilo es un plástico que comúnmente se conoce como PVC,
resiste dos elementos muy importantes: fuego y agua. Debido a su resistencia al
agua, se utiliza para hacer impermeables, cortinas para baño y caños para agua,
piezas de bombas, piezas para aislamiento eléctrico elemento para aparatos
domésticos y máquinas de oficina, entre otros. Su resistencia al fuego se debe a
que contiene cloro. Es de bajo costo y puede ser fabricado rígido o flexible.
Posee buena resistencia, dureza y tenacidad, tiene la capacidad de resistir la
corrosión, además tiene buenas propiedades dieléctricas y difícilmente es
combustible.
27
3. ESPECIFICACIONES
3.1 ESTRUCTURA FÍSICA La estructura física de la Plataforma Robótica esta dividida la parte interna y
externa.
3.1.1 Estructura Externa Es la misma estructura externa del juguete de Disney – Pixar “Finding Nemo”, con
la única diferencia que este juguete tiene la aleta pectoral izquierda más pequeña
que la derecha y la plataforma robótica tiene las dos aletas del mismo tamaño
aunque de distinto material (Ver figura 15).
Figura 15. Vista lateral de la plataforma.
La estructura externa consta de una aleta dorsal, dos aletas pectorales, una aleta
anal, dos aletas pélvicas, una cola y un compartimiento para las baterías como se
observa en la Figura 16.
28
Figura 16. Estructura externa.
La estructura externa tiene las siguientes especificaciones:
• Largo: 180 mm
• Alto: 220 mm
• Ancho: 87.6 mm
• Peso: 716.9 g
Las aletas no poseen movimiento, sin embargo ayudan a la estabilidad tanto
estática como dinámica de la plataforma. El compartimiento de las baterías se
encuentra en la parte inferior (Ver figura 17) y contiene la batería, el sensor de
presión y el micrófono.
Figura 17. Compartimiento para la batería.
29
3.1.2 Estructura Interna Esta estructura alberga el circuito electrónico y los motores (motor DC y
servomotor). Es hermética y esta sellada por medio de un juego de trece tornillos
ubicados alrededor de la misma. Entre la tapa y la estructura interior se encuentra
una lámina de caucho espuma que ayuda a rellenar los espacios entre la tapa y la
caja, para la impermeabilización de la plataforma (Ver Figura 18).
Figura 18. Estructura interna de la plataforma.
3.2 SISTEMA ELECTRÓNICO
El sistema electrónico de todo el proyecto se divide en dos partes: la primera se
encuentra dentro de la plataforma y la segunda se encuentra fuera de esta
(Diagrama 1).
30
Diagrama 1. Diagrama de todo el sistema.
La parte externa, del sistema electrónico, tiene dos funciones, la primera es la
encargada de comunicar al usuario con la plataforma robótica, está compuesta por
un computador y un modulo de transmisión. La segunda es la encargada de medir
el empuje y la velocidad de la plataforma, ésta también esta compuesta por un
computador y un modulo de plataforma de pruebas.
Modulo de transmisión • Circuito impreso
Voltaje de alimentación: 12V
Consumo en reposo: 30mA
Consumo promedio durante la transmisión: 1.3A
• Parlante de membrana
Voltaje de entrada: 7.5Vpp
Resistencia: 4Ω
Potencia máxima que soporta el parlante: 10W
Potencia de trabajo: 7W
• Microcontrolador 1
Arquitectura: CISC de 8 bits
Familia: 68HC908
Serie: QT4
Voltaje de alimentación: 1.5V-6V
31
Voltaje de trabajo: 5V
Número de pines: 8
Número de puertos: 1
Entradas: 3
Salidas: 2
Oscilador interno: 12MHz
Modulo de plataforma de pruebas • Circuito impreso
Voltaje de alimentación: 5V
Consumo: 120mA
• Microcontrolador 2
Arquitectura: CISC de 8 bits
Familia: 68HC908
Serie: JK3
Voltaje de alimentación: 1.5V-6V
Voltaje de trabajo: 5V
Número de pines: 20
Número de puertos: 2
ADC utilizados: 7
Entradas: 4
Salidas: 1
Oscilador externo: 16MHz
La parte interna del sistema electrónico tiene como función realizar y controlar la
trayectoria de la plataforma escogida por el usuario.
• Batería (Figura 19)
Largo: 50.6 mm
32
Diámetro: 14.30 mm
Peso: 29.75gr x 4
Voltaje: 1.4V-1.2V x 4
Corriente
Resistencia interna
2.2 Ah
0.4Ω
Figura 19. Batería.
• Microcontrolador 3
Arquitectura: CISC de 8 bits
Familia: 68HC908
Serie: QY4
Voltaje de alimentación: 1.5V-6V
Voltaje de trabajo: 4.8V-5.7V
Número de pines: 16
Número de puertos: 2
ADC utilizados: 2
Entradas: 2
Salidas: 1
Oscilador interno: 12.8MHz
• Circuito Electrónico
Voltaje de alimentación: 5.7V-4.8V
Consumo: 40mA
33
• Sensor de presión (Figura 20)
Voltaje de Polarización: 5.7V – 4.8V
Consumo: 6mA
Figura 20. Sensor de presión.
• Acelerómetro
Voltaje de Polarización: 5V
Señal de salida:
Frecuencia:
0-5V
150Hz
Consumo: 1mA
• Motor DC (Figura 21)
Voltaje de Polarización: 1.5V máximo
Señal de entrada: 0-.1.5V
Consumo: 600mA
Largo: 19.6 mm
Alto: 37.9 mm
Ancho: 14.6 mm
Peso: 16.4 g
34
Figura 21. Motor DC.
• Servomotor (Figura 22)
Voltaje de Polarización: 3.5 V – 12
Señal de entrada: 0-5 V @ 500Hz
Consumo: 400mA
Largo: 40.25 mm
Alto: 35.75 mm
Ancho: 19.6 mm
Peso: 38 g
Figura 22. Servomotor.
35
4. DESARROLLO
4.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
La estructura interior de la plataforma se basó en la estructura interior del juguete
de Disney – Pixar “Finding Nemo”, la cual tenía en su interior una caja hermética
impermeabilizada de dimensiones: 106 mm de largo x 51.8 mm de ancho x 30 mm
de profundidad. Esta contenía un Motor DC con su respectiva alimentación de 1.5
V (batería) y un sistema mecánico conectado al motor (Figura 23), los cuales se
encargaban de mover la cola del juguete, para que éste se pudiera desplazar
autónomamente dentro del agua.
1. Motor DC
2. Sistema mecánico
3. Batería
Figura 23. Descripción plataforma original.
Además tenía una cavidad cilíndrica sellada de radio 10.32 mm (Figura 24), la cual
tenía la función de flotador, logrando así que la plataforma no se sumergiera
completamente, sino que mantuviera su aleta dorsal fuera del agua (Figura 24).
Además el juguete de Disney – Pixar “Finding Nemo” permitía el ingreso del agua
36
a la estructura exterior cuando se encontraba sumergido, de tal forma que cuando
nadaba se mantuviera estable.
1. Cavidad sellada
2. Aleta dorsal
3. Aleta anal
4. Cola
5. Aleta pectoral derecha
Figura 24. Plataforma base.
La estructura interna del juguete se rediseñó teniendo en cuenta las
especificaciones del proyecto, como son el movimiento de la masa, el circuito
principal y el manejador del motor DC y los sensores. Sin embargo se mantuvo el
concepto de que se le entrara el agua en la estructura externa, para que ayudara a
la estabilidad de la plataforma en movimiento.
Para que la nueva estructura interna cumpliera con los requerimientos se expandió
aprovechando el espacio libre en la estructura externa. Para hacer la expansión de
la estructura interna inicial se realizaron los siguientes pasos:
4.1.1 Modelo de la nueva plataforma Se realizó un modelo en arcilla, el cual abarcaba el espacio libre que tenía la
estructura externa de la plataforma. Luego de tener el modelo del espacio libre se
unió a la estructura interna para realizar de este modo el modelo en yeso (Yeso
37
No.2). Este modelo se fragmentó en tres partes, una de la parte inferior y dos de
la tapa, el proceso se describe en los anexos y el resultado se muestra en la figura
25.
Figura 25. Modelo en yeso de la estructura interna de la plataforma.
Ya teniendo el molde en yeso de la nueva estructura interna, se prosiguió a
realizar la estructura en resina poliéster y fibra de vidrio, proceso que se describe
en los anexos
Luego de tener la primera aproximación de la estructura interna, se procedió a
pulirla de tal forma que encajará lo mejor posible en la estructura externa y no
obstruyera el movimiento del motor. Luego de que todo encajara se escogió los
tornillos como método de cierre de la caja. La estructura interna cuenta con un
juego de 13 tornillos, que permiten tener acceso a la parte interna todas la veces
que sean necesarias, cada tornillo debe encajar en su respectiva tuerca, la cual se
encuentra adherida a la caja con resina.
En el momento que el método de cierre estuvo implementado, se comenzó a
verificar la ubicación de los componentes internos de la estructura (Motores y
circuitos), es decir verificar si los componentes no impedían que la estructura
cerrará bien, lo que se logró por medio de la ubicación del contacto entre los
componentes y la tapa. Los puntos de contacto se encontraron untando los
componentes con lápiz labial, cerrando la caja y observando en la tapa donde
habían marcas de lápiz labial. En los lugares donde aparecían dichas marcas se
pulían para evitar que la estructura no cerrara correctamente. Este proceso se
38
repitió hasta que la estructura cerró bien.
4.1.2 Impermeabilización Debido a que los tornillos no impedían completamente el paso del agua al interior
de la estructura interna de la plataforma, se decidió poner un empaque que
cubriera los pequeños huecos e imperfecciones entre la tapa y la caja. Para esto
se hicieron pruebas con varios tipos de materiales de tal forma que se encontrará
el más efectivo. Los materiales puestos a prueba fueron:
• Látex
• Caucho para Neumático
• Caucho Espuma (Fomi)
Debido a los resultados de las pruebas (anexos) se decidió usar caucho espuma
(Fomi). Sin embargo el empaque no cumplía con el objetivo general, impedir el
paso de agua, por lo que se buscó otro método que apoyara al empaque.
Para encontrar este nuevo método se estudio la caja interna de la estructura inicial
y los envases herméticos que hay en el mercado (Taperware, Ziplog), en los
cuales se encontró una constate, todos tenían el mismo método: insertaban una
espada del material en una canaleta lo que impedía el paso de cualquier líquido
del medio externo al interno como se muestra en la figura 26.
Figura 26. Envase de Taperware.
39
Se adaptó este método en la estructura interna como se muestra en la Figura 27 y
Figura 28, la espada se logró subiendo con resina poliéster las paredes de caja y
luego puliéndolas para lograr la forma de espada, por otro lado para construir la
canaleta se untó la espada con lápiz labial y se cerró la estructura para que de
esta forma marcara en la tapa los lugares donde debía ir la canaleta. La
impermeabilización estuvo terminada cuando el lápiz labial solo marcaba dentro
de la canaleta, lo que indicaba que coincidía correctamente tanto la tapa como la
caja.
Figura 27. Canaleta de la estructura
interna.
Figura 28. Espada de la estructura interna.
El resultado de este método más el empaque de caucho espuma fue óptimo, ya
que el agua no ingresó a la estructura permitiendo así el correcto y seguro
funcionamiento de la plataforma.
4.1.3 Fabricación de las Colas El desplazamiento de la plataforma se lleva a cabo mediante la cola, es por esto
que se quiso evaluar la relación del empuje y la velocidad con la forma y material
de la cola, y así escoger la que presentara mayor eficiencia. Las formas escogidas
40
se basaron en las colas de algunos peces. La cola original del jugete Disney –
Pixar “Finding Nemo” se muestra en la figura 29.
Figura 29. Cola del juguete de Disney – Pixar “Finding Nemo”.
Se construyeron las siguientes formas de cola, manteniendo las mismas
dimensiones que la del juguete en la parte inicial para que se pudieran encajar
bien.
La forma 1 tiene las mismas dimensiones y forma a la cola del juguete. La forma 2
tiene las mismas dimensiones de la cola original, lo único que cambia es que tiene
un corte circular al final. La forma 3 es una cola alargada y la forma 4 es igual a la
forma 1, solo que sus dimensiones son 25% mayor a la original.
Figura 30. Forma 1. Figura 31. Forma 2.
41
Figura 32. Forma 3. Figura 33. Forma 4.
Para la fabricación de las colas se utilizaron los siguientes materiales:
• Caucho Silicona.
• Cloruro de Polivinilo (PVC).
• Acetato.
• Zinc.
Estos materiales fueron mezclados entre sí utilizando todas las formas de colas
que se describieron anteriormente, como resultado se obtuvieron cuatro tipos de
combinaciones como son, caucho silicona, caucho silicona con lámina de acetato,
caucho silicona con lámina de zinc y PVC. La fabricación de las colas con estas
combinaciones se encuentran explicado en los anexos.
Luego de obtener todas las colas se realizó el proceso de evaluación para así
obtener el empuje y la velocidad promedio de cada una. Esta evaluación se realizó
por medio de una plataforma de pruebas (figura 34). Esta tiene como objetivo
principal sensar el empuje que realiza la plataforma en los diferentes puntos de la
piscina al igual que sensar la velocidad promedio durante su trayectoria (Diagrama
2). Estos resultados son transmitidos al computador para luego ser analizados.
42
Figura 34. Plataforma de pruebas.
Fototransistores
Parlantes PiezoEléctricos
EncoderComparador
Amplificación TransmisiónRS232
DecoderAlgoritmo para
calcular velocidadpromedio
Microcontrolador 2
Decodificación Interfaz con el usuarioADC
Módulo Plataforma de Pruebas Computador
Diagrama 2. Módulo de plataforma de pruebas.
Se sensó el empuje para medir la eficiencia de la plataforma, es decir, que tanta
agua es capaz de desplazar ésta para avanzar y así encontrar la relación de la
eficiencia con el cambio de forma, de tamaño y de material de la cola.
Para sensar el empuje fue necesario adaptar como sensores parlantes
piezoeléctricos (Figura 35) los cuales arrojan una señal AC proporcional al
desplazamiento de agua debido al aleteo de la plataforma. La variación AC que
genera un parlante piezoeléctrico es proporcional al empuje realizado por la
plataforma. Para aislarlos completamente del agua fue necesario recubrirlos con
una capa de látex delgada para así no generar tantas perdidas en el cambio de
medio.
43
Figura 35. Parlante piezoeléctrico.
Cada parlante piezoeléctrico esta conectado a un amplificador de instrumentación,
con ganancia de 100, el cual esta conformado por tres amplificadores
operacionales (EL5410 de montaje superficial) como se muestra en la figura 36.
La señal amplificada entra al ADC del microcontrolador 2, con resolución de 8 bits,
donde los datos se guardan en un registro para luego ser enviados serialmente al
computador.
Figura 36. Amplificador de instrumentación de los
parlantes piezoeléctricos.
Para medir la velocidad promedio de la plataforma dentro del agua se utilizaron
seis fototransistores. Cada fototransistor tiene un láser apuntándolo obteniendo así
a la salida un voltaje DC aproximado de 2V. Cuando la plataforma interrumpe el
haz de algún láser el fototransistor tiene a la salida un voltaje menor a 200mV. La
salida de este sensor está conectada a un comparador (LM 339) el cual tiene un
voltaje de referencia de 1v que se fija con el potenciómetro R2 como se muestra
en la figura 37.
44
Figura 37. Circuito de polarización fototransistores y comparador
La salida de todos los comparadores van a un encoder (74148) de 8 entradas y 3
salidas. Estas salidas entran al microcontrolador 2 el cual decodifica esta
información y de esta manera calcula la velocidad promedio.
La velocidad promedio se calculó midiendo el tiempo que se demora la plataforma
en ir de un fototransistor a otro, conociendo la distancia que hay entre ellos (10
cm). Cuando la plataforma interrumpe el primer haz de láser se prende un timer el
cual incrementa un contador cada 100us. En el momento que se interrumpe el
siguiente haz de láser se guarda el valor que se tiene en ese momento en el
contador en un registro y el contador se vuelve a iniciar. Este proceso se repite
cada vez que se interrumpe un haz de láser sumando el resultado del contador
con el valor del registro y dividiéndolo entre dos, obteniendo así la velocidad
promedio de la plataforma. El valor de la velocidad promedio es válido al cabo de
diez segundo de haber interrumpido el primer haz de láser, este tiempo fue
escogido debido a que es el máximo tiempo que gasta la plataforma de ir de un
extremo a otro.
Mientras la plataforma se encuentra en movimiento, el microcontrolador 2, guarda
los datos de los sensores piezoeléctricos y el dato de la velocidad promedio en un
registro de transmisión. Mientras el valor de la velocidad promedio no sea válido
se tiene un cero en la posición que le corresponde en el registro de transmisión,
de lo contrario se guarda el valor calculado.
Cada vez que el registro de transmisión esta completo, lo envía serialmente al
computador. La transmisión se detiene en el momento que se envía el dato válido
45
de la velocidad promedio.
Para obtener los voltajes necesarios en la transmisión serial se utilizó una
MAX232, esta se realizó por medio del puerto serial del computador. Para la
visualización de los resultados obtenidos en la plataforma de pruebas se utilizó el
programa LabView, este abre el puerto serial del computador recibiendo los datos
que el microcontrolador le esta enviando. Una vez obtiene estos datos, los
decodifica y los grafica en la interfaz con el usuario de la plataforma de pruebas,
como se muestra en la figura 38.
Figura 38. Interfaz grafica de plataforma de pruebas.
Ya teniendo los datos en la pantalla del computador, se analizan las graficas
(Capitulo 5) de las diferentes colas. De aquí se concluye que la cola que presenta
mayor empuje es la que tiene la forma 4 en caucho silicona con lámina de zinc
como se muestra en la figura 39.
46
Figura 39. Cola forma 4.
4.1.4 Fabricación de la aleta pectoral izquierda El juguete de Disney – Pixar “Finding Nemo”, plataforma base, tiene dos aletas
pectorales, las cuales no son del mismo tamaño (Figura 40), esto ayudaba a que
cuando el juguete navegaba, se inclinara hacia el lado izquierdo del mismo.
Figura 40. Vista lateral del juguete de Disney.
Debido a esto, se reemplazó la aleta pectoral izquierda por una que tuviera las
mismas dimensiones que la otra aleta pectoral, el material utilizado fue caucho
silicona y el proceso que se utilizó se encuentra descrito en los anexos.
47
Finalmente, se adhirió la aleta pectoral izquierda en caucho silicona con la aleta
inicial de la plataforma robótica por medio de un tornillo (Ver figura 41).
Figura 41. Aleta pectoral izquierda de la plataforma.
4.1.5 Fabricación del empaque de las baterías, sensor de presión y micrófono
Debido al poco espacio que se tiene dentro de la estructura interna de la
plataforma, se construyó un empaque para las baterías, que a su vez contiene el
micrófono y el sensor de presión. Para que este último tuviera contacto con el
agua se hizo un orificio en el empaque.
La batería está compuesta por cuatro pilas (Ver figura 42) de 1.5V a 2.2Ah de
Niquel-Metal. Estas las cuales fueron escogidas por la gran capacidad de corriente
que puede entregar y de este modo garantizar que la plataforma pueda estar
dentro del agua por un tiempo prolongado. El voltaje que entrega esta batería
oscila entre 4.8V y 5.7V, lo que justifica la cantidad de pilas.
48
Figura 42. Batería.
El material escogido para la fabricación de este empaque fue el látex gracias a
que es impermeable y liviano. El proceso de la fabricación de este se puede
consultar en los anexos y el resultado final se muestra en la figura 43.
Figura 43. Empaque en látex de la batería, el sensor de presión y
el micrófono.
4.2 SIMULACIÓN DE LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE LA PLATAFORMA DEBAJO DEL AGUA
Debido a que el movimiento de la plataforma se realiza por medio de la
manipulación de las fuerzas que actúan sobre ella, fue necesario estudiar el papel
que cada una de ellas juega tanto en el movimiento de plataforma como en su
49
comportamiento inercial.
El estudio de las fuerzas se llevó acabo en dos partes, una teórica y otra práctica.
La primera parte consta de un estudio teórico de las fuerzas que actúan sobre la
plataforma dentro del agua. La parte práctica busca afirmar los estudios teóricos,
con ayuda de una plataforma de pruebas se puede observar el comportamiento de
la plataforma robótica.
4.4.1 Estudio Teórico
En un vehiculo autónomo submarino (AUV Autonomous Underwater Vehicle) las
fuerzas ejercidas cuando está sumergido en el agua son: la fuerza de empuje en
el eje horizontal y las fuerzas restauradoras (gravedad y flotabilidad) en el eje
vertical (Figura 44).
Figura 44. Fuerzas ejercidas en la plataforma.
• Fuerza de empuje
La fuerza de empuje esta dada por el propulsor el cual tiene su propia dinámica.
La velocidad de este puede ser controlada obteniendo una constante de tiempo
mucho menor que la constante de tiempo de toda la plataforma robótica. Cuando
esto ocurre la dinámica del propulsor puede ser ignorada y este se puede modelar
como un estado estable.
El empuje es un modelo bilineal donde se tiene una velocidad angular (ωi) dada
por el propulsor y una velocidad lineal (vi) en dirección del movimiento de la
50
plataforma.
iiiiiii vvbb 2,1, −= ωωτ
Ecuación 7
Cuando la velocidad angular con la que se mueve el propulsor es baja, se tiene
que el vehiculo submarino se mueve de forma lenta dentro del agua, es decir, su
velocidad lineal es baja, pero en este caso el vehiculo acuático genera mayor
empuje gracias a la lentitud de su propulsor.
• Fuerzas restauradoras
Las fuerzas restauradoras están conformadas por la fuerza de gravedad y la
fuerza de flotabilidad. La primera es la que se ejerce hacia abajo dado el peso de
la plataforma robótica, por esta razón los elementos pesados dentro de esta van
en la parte inferior del robot. La segunda es una fuerza ejercida hacia arriba dada
por el espacio libre dentro de ésta. Estas dos fuerzas se miden con respecto al
sistema de coordenadas de la plataforma y siempre se encuentran en el mismo
eje vertical del centro de masa.
4.4.2 Estudio Práctico La simulación de acción y reacción de las fuerzas que actúan sobre la plataforma,
se realizó con el objetivo de conocer su comportamiento en el medio real.
• Fuerza de empuje
Como se describió en el estudio teórico, la fuerza de empuje es debida al
propulsor de la plataforma robótica, por lo que se buscó encontrar una relación de
esta fuerza con el cambio de propulsor. Para medir el cambio cuantitativo de la
fuerza de empuje entre un propulsor y otro, se construyó la plataforma de pruebas
descrita en el numeral 4.1.3.
El propulsor de la plataforma robótica es la cola, ya que es por medio de esta que
51
la plataforma se propulsa. Se construyeron 16 diferentes colas, para luego se
evaluadas y encontrar la relación entre la fuerza de empuje con la variación tanto
de material como de forma y tamaño. Después de este análisis (Capitulo 5) se
llegó a la conclusión que la cola con forma 4 construida en caucho silicona con
una lámina de zinc en su interior era la que mayor empuje ejercía.
La relación entre la velocidad angular del motor y la fuerza de empuje también fue
evaluado con la cola escogida, como se puede observar en el video anexo. De
esta prueba se obtuvo como resultado la afirmación de teoría, en cuanto se refiere
a que a menor velocidad angular mayor empuje.
• Fuerzas restauradoras
Como se expresó en el estudio teórico, las fuerzas restauradoras están
conformadas por la fuerza de gravedad y la fuerza de flotabilidad. La fuerza de
gravedad para esta plataforma consta de: el peso que tienen las pilas, el peso de
los motores, DC y servomotor, el peso de los circuitos, el peso móvil y por último
los pesos que logran la estabilidad del robot.
La fuerza de flotación que existe dentro de la plataforma consta del espacio vació
que se tiene dentro de pez y dos flotadores hechos en balso los cuales se
encuentran a cada lado de la plataforma ubicados por encima de las aletas
pectorales de éste.
Para lograr que la plataforma este en equilibrio la sumatoria de fuerzas debe ser
cero, por lo que la fuerza de flotabilidad debe ser igual en magnitud a la fuerza de
gravedad y opuestas dirección. Para lograr esto se deben manipular ambas
fuerzas.
La fuerza de gravedad depende del peso neto de la plataforma, por lo que su
magnitud puede variar agregando o quitando peso y su posición moviendo los
pesos más significativo. La fuerza de flotabilidad se modifica agregando materiales
52
con flotabilidad positiva. Para igualar estas dos fuerzas se pueden modificar
ambas y encontrar un punto de equilibrio, donde la sumatoria de fuerza sobre la
plataforma es cero. En este punto se dice que la densidad de la plataforma es
igual a la del liquido en el que esta sumergido.
Antes de manipular las fuerzas se debe hallar el centro de masa de la plataforma,
el cual se calculó de la siguiente manera: Se amarró una cuerda a la plataforma,
suspendiendo el robot por medio de esta, luego se trazó una línea recta en la
misma dirección de la cuerda. Se repitió el proceso tres veces amarrando la
cuerda a la plataforma en diferentes puntos. Después de terminar el proceso se
marcó el lugar donde todas las líneas se intersectaban, lo cual corresponde al
centro de masa.
Se debe tener en cuenta que el centro de masa se halló sin colocar las baterías,
las cuales se ubicaron estratégicamente para desplazar el centro de masa de tal
forma que la plataforma en reposo quedara estable horizontalmente, es decir, que
no tuviera inclinación ni hacia delante ni hacia atrás. Esto se pudo lograr gracias a
que el peso de la plataforma era comparable con el de las baterías.
Ya teniendo el eje del centro de masa definido, se ubicó la posición media del
peso móvil, con la cual se garantizaba que la inclinación de la plataforma fuera
nula.
Teniendo la estabilidad horizontal bajo control, se prosiguió a conseguir la
estabilidad lateral, y de esta manera asegurar que la plataforma no se ladeará. La
plataforma se encontraba ladeada hacia un lado debido a que todos los pesos
dentro de la misma estaban ubicados en la parte de la caja, por lo que se tuvo que
compensar colocando peso en la tapa.
Una vez encontrada la magnitud del peso que debía ser colocado en la tapa, se
prosiguió a dividirlo en dos y ubicarlos equidistantemente del centro de masa,
53
como se muestra en la figura 45. Esto logró que tanto la estabilidad horizontal
como la lateral de la plataforma se alcanzaran. El resultado se muestra en la figura
46.
Figura 45. Pesos en la tapa.
Figura 46. Estabilidad lateral de la plataforma.
Luego de colocar todos los pesos que debían estar dentro de la plataforma, se
observó que esta era muy pesada, por lo que era necesario contrarrestar la fuerza
de gravedad con la de flotabilidad.
Debido a que tanto la magnitud como dirección de la fuerza de gravedad no
54
podían cambiarse, se opto por manipular la fuerza de flotabilidad. Esto se
consiguió adhiriendo flotadores a la plataforma.
La dirección de la fuerza de flotabilidad es contraria a la de gravedad y debe
actuar en el eje del centro de masa, para que de esta manera no incline a la
plataforma hacia ningún lado.
Teniendo la ubicación de los flotadores, se adhirieron a la plataforma. La magnitud
de estos aumentó hasta lograr el equilibrio de ambas fuerzas, es decir, que la
plataforma ni se fuera hacia el fondo de la piscina ni flotara totalmente.
Una vez conseguido el equilibrio se colocó el peso móvil, el cual ejercía una fuerza
de gravedad comparable a la de toda la plataforma. Esto buscaba que el torque
producido por el desplazamiento del peso móvil, fuera el mayor posible,
garantizando así que la inclinación tanto del movimiento de emersión como de
inmersión fuera significativa.
Debido a que el peso móvil incrementaba la magnitud de la fuerza de gravedad, se
buscó equilibrarla aumentado la fuerza de flotabilidad, de la misma manera que se
mencionó anteriormente, aumentando el tamaño de los flotadores.
Se probaron dos materiales para los flotadores como son el icopor y el balso. El
primero fue descartado debido a que absorbía agua después de un tiempo de
estar en el fluido, además esta absorción no era uniforme para todos los casos. El
segundo material arrojó mejores resultados en cuanto a la cantidad y uniformidad
de absorción de agua. Sin embargo se impermeabilizaron los flotadores para
evitar de esta manera que la fuerza de flotabilidad cambiara durante el movimiento
de la plataforma.
Para que la diferencia entre la fuerza de gravedad y la de flotabilidad se
disminuyera, utilizó un ajuste fino y de esta manera poder cuadrar el punto de
55
equilibrio de una manera fácil. Este ajuste fino se realizó sobre la fuerza de
gravedad, por medio de la variación de masa de un cubo de plastilina. Este
material fue escogido gracias a que sus propiedades no cambian con el agua. Ya
teniendo la plataforma equilibrada en todos los ejes, se puede obtener el
movimiento de la misma sin que el propulsor realice un mayor esfuerzo.
4.3 PLATAFORMA ROBOTICA La plataforma robótica esta en capacidad de sumergirse, nadar y emerger del
agua de acuerdo con una trayectoria dada por el usuario. Este le indica la
trayectoria que debe recorrer por medio del computador, estos datos son
codificados y enviados inalmbricamente a la plataforma en el medio agua. Los
datos son recibidos y decodificados por la plataforma para así realizar el
movimiento indicado. El proceso se encuentra descrito en el diagrama 3.
Diagrama 3. Diagrama en bloques del sistema de comunicación y plataforma
robótica.
56
4.2.1 Interfaz con el usuario
El movimiento de la plataforma esta descrito por dos parámetros, la profundidad y
la distancia. Como se puede apreciar en la Figura 47, la profundidad se refiere a la
distancia en centímetros que se debe sumergir la plataforma medida desde el nivel
del agua. El parámetro de distancia es la longitud en centímetros que debe
recorrer la plataforma desde el momento que alcanza la profundidad indicada por
el usuario.
Figura 47. Descripción del movimiento de la plataforma robótica.
Se realizó una interfaz gráfica en LabView para que el usuario pudiera introducir la
trayectoria que desea en términos de la profundidad y la distancia como se
muestra en la figura 48.
57
Figura 48. Interfaz con el usuario.
En el momento que el usuario oprima el botón de enviar se codifican los datos de
la trayectoria y se envía por el puerto serial del computador el cual se encuentra
conectado con el módulo de transmisión.
4.2.2 Comunicación bajo el agua
La plataforma robótica se encontrará siempre sumergida en el agua, por tal razón
no se puede apresurar a utilizar un método de comunicación convencional. Debido
a que el medio en que se desenvuelve la plataforma es el agua, se escogió una
transmisión de datos basada en sonidos, al igual que algunos animales marítimos,
como por ejemplo las ballenas, las cuales se comunican a una gran distancia
debido a las bajas frecuencias y las altas potencias de los sonidos que emiten.
Diferentes estudios realizados acerca de la comunicación de las ballenas afirman
que las frecuencias utilizadas por estos mamíferos están un rango que comienza
en unos pocos hertz hasta cubrir casi total mente el rango audible, es por esta
razón que se escogió como primera aproximación un rango de 30Hz a 8000Hz
para la comunicación utilizada por la plataforma.
Estimando el intervalo de frecuencias a las cuales se va a transmitir, se escogió
58
como primera aproximación un sistema de transmisión y recepción por medio de
un parlante de membrana (Figura 49) y un micrófono electret. Tras un proceso de
impermeabilización se adecuó tanto el parlante como el micrófono para el medio
en el que se desarrolla la comunicación, el agua. Se probaron diferentes formas
de impermeabilizar, teniendo en cuenta los siguientes parámetros: la eficiencia y la
protección al agua. La primera se refiere a las pérdidas que se pueden presentar
debido al método de impermeabilización que se utilice. La protección al agua
como su nombre lo indica consiste en que el transmisor y el receptor este
protegidos totalmente del agua ya que este medio no es para el cual estuvieron
diseñados.
Figura 49. Parlante de membrana con impermeabilización
de guante de látex.
Teniendo estos parámetros se pusieron a prueba diferentes sistemas de
impermeabilización para parlantes de membrana:
1 Parafina: Se recubrió la membrana del parlante con una capa delgada de
parafina con la cual se buscaba aislar el líquido de la membrana, evitando
así su deterioro y permitiéndole un contacto más cercano entre la
membrana y el medio de transmisión. El resto de parlante se cubrió con
látex. Este sistema tuvo como resultado positivo la protección del agua ya
que la membrana del parlante quedó totalmente aislada del líquido. Por el
59
contrario el parámetro de eficiencia fue negativo, ya que luego de aplicar la
capa de parafina, esta se solidificó haciendo la membrana del parlante
rígida, lo que impidió el movimiento normal de la misma. Esto trajo como
consecuencia la disminución de eficiencia, es decir, el aumento de pérdidas
debido a que el parlante dejo de mover las partículas que normalmente
deben mover para así producir el sonido.
2 Silicona líquida: Se siguió el mismo proceso que se usó con la parafina, con
la diferencia que en vez de recubrir la membrana con parafina se recubrió
con silicona. Esta prueba se realizó gracias a las características que
presentaba la silicona como son impermeabilidad y flexibilidad en capas
delgadas. De este sistema se obtuvo un resultado parecido al de la
parafina, es decir, la protección al agua se cumplió pero la eficiencia volvió
a fallar. Con la silicona la membrana del parlante no se volvió rígida, pero
sin embargo la capa delgada de silicona se convirtió en un obstáculo para
el movimiento de la membrana lo que ocasionó que la eficiencia se redujera
en gran medida.
3 Aceite: Luego de analizar los anteriores métodos de impermeabilización se
buscó un método que opusiera menos resistencia al movimiento de la
membrana del parlante, como respuesta a esto se utilizó el aceite por sus
propiedades repelentes al agua. El resultado de este sistema fue totalmente
contrario a sus antecesores ya que como era de esperarse el aceite no se
opuso al movimiento de la membrana lo que da un resultado positivo el
índice de eficiencia, pero el índice de protección al agua fue negativo, ya
que el aceite no protegió adecuadamente la membrana dejando filtrar el
liquido, permitiendo así el deterioro de la misma.
4 Látex: Después de los anteriores intentos fallidos se buscó un sistema que
no afectara el material de la membrana, y de esta forma no cambiara sus
propiedades intrínsecas al mismo tiempo que protegiera el parlante. La
60
repuesta a esta búsqueda fue el látex, utilizando un guante quirúrgico de
dicho material para el recubrimiento del parlante, garantizando así la
impermeabilidad y flexibilidad. Al hacer la prueba se produjo excelentes
resultados ya que cumplió con los dos parámetros que se buscaban. Luego
de este resultado se prosiguió a hacer pruebas donde se pudiera medir la
eficiencia de la impermeabilización.
Teniendo ya el transmisor y receptor a utilizar, se hizo un estudio con base en
pruebas sobre la frecuencia que tiene un mejor comportamiento en el agua en
cuanto a eficiencia se refiere (Capitulo 5). Los resultados obtenidos arrojaron que
el mejor rango de frecuencias, donde se recibe mejor la señal de la fuente, estaba
entre los 550Hz y 1200Hz.
4.2.3 Módulo de transmisión
El módulo de transmisión es el encargado de recibir los datos en forma serial
desde el computador, para luego ser enviados a la plataforma. Este módulo consta
de un microcontrolador 1, un filtro, un amplificador de potencia y un parlante de
membrana, como se muestra en el diagrama 4.
Diagrama 4. Diagrama en bloques del módulo de transmisión.
Luego que el usuario oprime el botón de enviar en la interfaz gráfica (Figura 47),
los datos son enviados en forma serial desde el computador y son recibidos por el
microcontrolador 1. Este se encarga de identificar cada bit para luego traducirlo en
sonido. Esto se logra asignando una frecuencia a cada estado del bit, es decir,
61
cuando el bit es un cero lógico se le asigna una frecuencia f1 y cuando el bit es un
uno lógico se le asigna una frecuencia f2. Estas frecuencias se escogieron con
base al rango de frecuencias anteriormente nombrado, donde las frecuencias f1 y
f2 se muestran en la tabla 2.
Estado del Bit Frecuencia
0 600 Hz (f1)
1 1000 Hz (f2)
Tabla 2. Asignación de frecuencias a cada bit. El microcontrolador 1, antes de enviar los datos, construye la trama de transmisión
que tiene un tamaño de 15 bits. Esta está compuesta por un código de inicio, la
profundidad y la distancia indicada por el usuario como muestra la figura 50. El
código de inicio es el número 21, consta de cinco bits y es la trama más crítica ya
que ningún bit se repite, el número en binario es 10101. Los otros diez bits se
refieren a la profundidad y distancia que debe recorrer la plataforma. La duración
de cada bit o sonido es de un segundo, lo que indica que la trama tiene una
duración de quince segundos. El tiempo de duración de bit fue escogido debido al
transiente que presenta el parlante de membrana, el cual oscila en un rango de
20ms a 300ms.
Figura 50. Trama de transmisión.
La salida del microcontrolador 2 está conectado a un filtro pasabanda de segundo
orden, como se muestra en la figura 51, el cual tiene como frecuencia central
fo=800Hz y un ancho de banda de 400 Hz. Este se encarga de filtrar la señal que
sale del microcontrolador 1 dándole una forma sinusoidal, ya que este genera una
señal cuadrada.
62
Figura 51. Filtro pasabanda.
La salida del filtro pasabanda está conectada a un amplificador de potencia (figura
52). Este se encarga de amplificar la señal sinusoidal para luego ser transformada
por el parlante de membrana en sonido. Esta etapa de amplificación da la potencia
necesaria para poder recibir la señal de la fuente en cualquier lugar de la piscina.
Figura 52. Amplificador de potencia.
Dentro de la piscina se encuentra un parlante piezoeléctrico que se encarga de
detectar si la plataforma robótica se mueve después de haber enviado los datos.
Si esto no sucede, es decir, si el parlante no detecta movimiento después de la
transmisión, el microcontrolador 1 debe volver a enviar los datos y repetir el
proceso anteriormente expuesto.
63
4.2.4 Plataforma robótica
La plataforma robótica está en capacidad de recibir la información enviada por el
usuario a través de agua, para luego decodificarla y realizar el movimiento
requerido por este. La plataforma tiene dos funciones principales como son la
recepción y realización de la trayectoria, las cuales actúan consecutivamente.
La plataforma robótica se encuentra en reposo esperando la transmisión, ya sea
la primera vez que se prende o luego de realizar la trayectoria indicada por el
usuario. La recepción está compuesta por los siguientes bloques (diagrama 5).
Diagrama 5. Diagrama en bloques de la plataforma robótica.
Receptor
El receptor esta compuesto por un micrófono electrec, una etapa de polarización
del micrófono y una etapa de preamplificación. El micrófono electrec es el
encargado de recibir la señal de audio enviada por el módulo de transmisión, y se
encuentra ubicado en la parte inferior de la plataforma.
La etapa de polarización como su nombre lo indica polariza el micrófono, como se
muestra en la figura 53. La etapa de pre-amplificación amplifica la entrada del
micrófono como se ve en la figura 53, se hace antes de la etapa de filtrado para
evitar ruido eléctrico. La ganancia de esta etapa es de 15.
64
Figura 53. Etapas de polarización y preamplificación.
Filtrado:
Este bloque consta de un filtro pasabanda de segundo orden con una frecuencia
central en 800Hz y un ancho de banda de 400Hz como se muestra en la Figura
54, su función es filtrar todas las señales que tengan una frecuencia diferente a las
de la transmisión. Entre las señales no deseadas que más se presentan a la
salida del micrófono son las debidas al movimiento del agua con respecto a la
plataforma, las cuales poseen frecuencias muy bajas con magnitudes muy altas lo
que impide que estas señales sean filtradas en su totalidad.
Figura 54. Etapa de filtrado.
Amplificación:
Este bloque se encarga de amplificar la señal de entrada una vez filtrada, para
luego ser analizada en el microcontrolador 3. El valor de amplificación de esta
etapa es de 100, se dejó la mayor ganancia para esta ya que la señal de entrada
ya se encuentra filtrada, teniendo en este punto solo la señal transmitida. De esta
forma ayudar a que se puedan recibir los datos de la fuente a mayor. Su
configuración se encuentra en la figura 55.
65
Figura 55. Etapa de amplificación.
Decodificación
La entrada a este bloque es la señal de audio recibida por el micrófono una vez
filtrada y amplificada. Este bloque es el encargado de decodificar la trama enviada
por el módulo de transmisión para así verificarla y realizar la trayectoria indicada
por el usuario.
Para decodificar la trama de datos la señal de entrada ingresa al microcontrolador
3 por medio de un Conversor Análogo Digital (8 bits) el cual tiene un tiempo de
conversión de 11us. El proceso de decodificación en el microcontrolador 3 esta
descrito en los diagrama 6, 7 y 8.
Mientras la plataforma se encuentra en reposo, el microcontrolador 3 hace polling
cada 15us al pin de recepción (ADC). Mientras la señal de entrada se encuentre
entre 2.4V - 2.6V la plataforma permanece en estado de reposo. Este umbral
permite al microcontrolador no procesar la señal de entrada cuando es un ruido.
Luego que la señal de entrada supera este umbral pasa del estado de reposo al
estado de recepción, en el cual calcula la frecuencia de la señal de entrada lo que
le indicará cual estado le corresponde al bit.
66
Diagrama 6. Diagrama de flujo del algoritmo de la comunicación.
67
Diagrama 7. Diagrama de flujo de la función frecuencia.
68
Diagrama 8. Diagrama de flujo de la función decode.
La detección de la frecuencia de la señal de entrada se realiza buscando los
máximos de la señal para así calcular el periodo, el cual es el tiempo entre dos
máximos seguidos (Figura 56). Este método fue escogido debido a que la
información puede estar sobre la señal de movimiento del agua, lo que descarta
totalmente el método de cruces por cero. El método de las pendientes tiene como
tiempo máximo de procesamiento periodo y medio de la señal de entrada.
Figura 56. Método para hallar la frecuencia.
El proceso para calcular los máximos se explica a continuación:
1. El ADC del microcontrolador 3 inicia la conversión, una vez que el dato sea
válido se guarda en un registro ref1.
69
2. Se repite el paso anterior guardando el dato válido en el registro ref2,
teniendo en cuenta que el tiempo entre un dato y otro es de 11us.
3. Se evalúa la diferencia entre los datos guardados en ref1 y ref2. El
resultado de esta operación indica el signo de la pendiente de la tangente
de la señal en dicho momento.
4. Cuando hay un cambio de pendiente de positiva a negativa se tiene un
máximo (Ver figura 56).
5. Cuando se detecta el primer máximo se inicia un timer, el cual incrementa
un contador cada 50us.
6. Con la detección del segundo máximo se detiene el timer y se guarda el
valor del contador, dicho valor hace referencia a la frecuencia recibida.
Se verifica la validez del dato recibido, es decir, la validación de la frecuencia
recibida. Esta frecuencia debe estar en los rangos de aprobación para ser
aceptada como uno, como cero o como dato no válido como se muestra en la
tabla 3. Si el dato que se recibe no es válido la plataforma regresa al estado de
reposo. Si por el contrario el dato es válido, es decir la frecuencia es válida, se
comienza el proceso de decodificación de la trama de transmisión.
Dato Fmax (Hz) Fmin (Hz)
Cero lógico 714 512
Uno lógico 1250 909
No válido Resto Resto
Tabla 3. Rango de frecuencias para ser aceptada como válida o no.
El proceso de decodificación de la trama comienza con la espera de un tiempo de
500ms (mitad del tiempo de bit), luego de este tiempo, se vuelve a realizar el
proceso de detección y verificación de frecuencia. Si en una primera muestra el
dato no es válido, se repite el procedimiento hasta que el dato se considere como
válido. Si esto no ocurre en menos de 10 intentos se cancela toda la recepción y
la plataforma regresa al estado de reposo. Si por el contrario el dato se toma como
70
válido dentro del máximo de intentos, se guarda y se sigue con la recepción del
resto de trama.
Luego de guardar el primer bit de la trama, se prosigue a detectar y verificar los
14 bits restantes, teniendo en cuenta que la detección de cada bit esta espaciada
un segundo. La trama es guardada en tres registros diferentes, los primeros cinco
bits se guardan en un registro llamado código de inicio, los cinco bits siguientes en
otro llamado profundidad y los últimos cinco en uno llamado distancia.
Verificación del dato
En este bloque se busca verificar el dato que se recibe, esto se realiza validando
el código de inicio, el cual debe ser igual a 21, si esto ocurre la plataforma
empieza a realizar el movimiento descrito por el usuario. Si por el contrario, no se
detecta un 21 se cancela la recepción y la plataforma regresa al estado de reposo.
Ya teniendo los datos de profundidad y distancia indicada por el usuario se
prosigue a que la plataforma realice dicha trayectoria. La plataforma esta en
capacidad de realizar movimientos en dos ejes el y (adelante) y el eje z (arriba-
abajo), estos movimientos son suficientes para llevar acabo la tarea indicada por
el usuario. La plataforma lleva acabo dichos movimientos por medio de dos
motores y dos sensores, los cuales están controlados por un algoritmo de control
que se encuentra programado en el microcontrolador 3.
El movimiento en el eje z se logra creando un torque entre la fuerza de flotabilidad
y la fuerza de gravedad. Esta primera se mantiene constante tanto en magnitud
como en dirección durante todo el movimiento. La segunda mantiene su magnitud
pero cambia su dirección, por medio del movimiento de un peso (peso móvil)
dentro de la plataforma. La magnitud de la fuerza debida al peso móvil es
considerable con respecto al resultado de la sumatoria entre la fuerza de
flotabilidad y de gravedad, para que la inclinación de la plataforma fuera
representativa al mover el peso.
71
Este peso se mueve gracias a que se encuentra sujetado al servomotor por medio
de una lámina de aluminio, como se muestra en la figura 57. La plataforma se
inclina en la misma dirección en la que se mueve al peso móvil, como se explicó
en el numeral 4.2. Esta inclinación es controlada por el algoritmo de control, el cual
le indica al servomotor cuando debe mover el peso para que la plataforma se
sumerja, se mantenga estable o emerja del agua.
Figura 57. Peso movible sujetado al servomotor.
Algoritmo de control
El control escogido es un control proporcional saturado; es saturado ya que se
busca que al comienzo de la inmersión y al final de la emersión el movimiento de
la masa móvil logre vencer las fuerzas de flotabilidad y gravedad respectivamente.
En el momento que este llegando a la profundidad indicada por el usuario la
plataforma debe realizar un movimiento suave, por este motivo se escogió un
control proporcional.
La malla de control tiene como sensores un acelerómetro y un sensor de presión,
y como actuadores el servomotor y el motor DC. El sensor de presión tiene como
función indicar la profundidad a la cual se encuentra la plataforma por medio de la
presión que sensa en ese momento y es traducida en voltaje. La señal de salida
del sensor de presión es amplificada por medio de un amplificador de
instrumetación el cual tiene una ganancia de 100, como se muestra en la figura
58. Esta señal entra al ADC (8 bits y tiempo de conversión de 11us) del
72
microcontrolador 3 donde es decodificada y analizada por el algoritmo de control.
El voltaje que entra al microcontrolador 3 disminuye 0.2V cada 10cm de
profundidad, el tiempo de muestreo de este sensor es de 500ms.
Figura 58. Amplificador de instrumentación del sensor de presión.
El acelerómetro es el encargado de hacer la retroalimentación del movimiento de
la plataforma, es decir, indica cual es la inclinación de la misma por medio de su
salida digital. Esta salida se encuentra entre 0V y la fuente de polarización a una
frecuencia de 151Hz. Esta señal entra directamente al microcontrolador 3 el cual
analiza su ciclo útil para así traducirlo en inclinación.
El servomotor es el encargado de cambiar la inclinación de la plataforma, este
ángulo depende del ciclo útil de la señal de entrada. Esta señal es generada por el
microcontrolador 3 dependiendo del movimiento que se desea, la frecuencia de
esta señal es de 500Hz y sus rangos de voltaje van de 0V a la fuente de
polarización.
Por último, el motor DC es el encargado de darle el movimiento a la plataforma en
el eje y, es decir, es el que impulsa a la misma. El motor tiene como entrada una
señal DC, la cual se varía de 0.7V – 1.5V para cambiar la velocidad del mismo. La
señal que sale del microcontrolador 3 para controlar la velocidad de este motor, es
una señal cuadrada de 500Hz, la cual varía su ciclo útil de acuerdo a la velocidad
requerida, este ciclo útil va desde el 64% para la velocidad mínima hasta el 100%
para la velocidad máxima. Esta señal cuadrada es convertida en una señal DC por
medio de un filtro pasivo de primer orden, su configuración se encuentra en la
figura 59. Como se puede observar en esta figura también se encuentra una
73
configuración darlington de transistores, con la cual se maneja la corriente que le
entrega el microcontrolador al motor.
Figura 59. Circuito para el motor DC.
Como ya se mencionó anteriormente es el algoritmo de control es el que hace
que la plataforma realicé el movimiento adecuado por medio de los sensores y
actuadores de la malla de control, el diagrama de flujo que describe el algoritmo
se encuentra en el diagrama 9.
En el momento que se realiza una recepción exitosa de la trayectoria a seguir, se
inicia el procesamiento del algoritmo de control, sensando la posición actual de la
plataforma, lo que se refiere a la altura en la cual se encuentra la plataforma. Esta
altura es determinada por el sensor de presión, cuyo valor de voltaje es convertido
y guardado en un registro (pactual).
Luego de tener la altura o la presión a la cual está la plataforma, el algoritmo
evalúa si la posición actual es igual, menor o mayor de la posición que desea
llegar, este valor esta guardado en un registro llamado pfinal. En un principio pfinal
es igual al valor escogido por el usuario (profundidad).
74
Diagrama 9. Diagrama de flujo del algoritmo de control.
Luego de evaluar la diferencia entre pactual y pfinal el algoritmo decide los
movimientos que deben realizar los motores. Si la diferencia entre pactual y pfinal
es mayor a una diferencia límite llamada hlim (10cm) se utiliza un control on/off, de
lo contrario se realiza un control proporcional.
75
Si la diferencia de las alturas es mayor a hlim y pcatual es mayor a pfinal, el
servomotor ubica la masa móvil en la parte de adelante de la plataforma, este
movimiento es conocido como inmersión (figura 60). Si por el contrario pactual es
menor a pfinal, la masa es ubicada en la parte trasera de la plataforma, para que
esta realice el movimiento de emersión (figura 61).
Figura 60. Movimiento de inmersión.
Figura 61. Movimiento de emersión.
En el momento que la diferencia entre pactual y pfinal es menor la altura límite
(hlim) se realiza el control proporcional tanto a la posición del servomotor como a
la velocidad del motor DC (Ver Diagrama 9).
Como se mencionó anteriormente, se realiza este tipo de control para obtener un
movimiento suave a la llegada de la plataforma a la profundidad requerida por el
usuario. Es por esto que el movimiento del servomotor depende directamente de
la diferencia entre pactual y pfinal, es decir, mientras sea más pequeña la
diferencia entre estas dos alturas la ubicación de la masa estará mas cerca de la
posición de equilibrio. La posición de equilibrio se refiere a cuando la plataforma
se encuentra totalmente horizontal, por consiguiente la masa móvil debe estar en
el eje del centro de masa de la plataforma.
76
El movimiento del servomotor es vigilado a partir de la señal que arroja el
acelerómetro. Mientras la plataforma no llegue a la inclinación indicada, la señal
de entrada del servomotor permanece encendida. La inclinación de la plataforma
es hallada por medio del ciclo útil de la señal de salida del acelerómetro.
La velocidad del motor DC disminuye con relación a la diferencia entre pactual y
pfinal, para que la plataforma tenga la velocidad mínima cuando llega a la
profundidad requerida.
Cuando pactual es igual a pfinal, es decir, la plataforma llegó a la profundidad
requerida, se inicializa un contador que se incrementa cada 50us, este contador se
utiliza para calcular el tiempo recorrido por la plataforma a la profundidad indicada
por el usuario. Este tiempo es convertido a distancia sabiendo que la plataforma
se mueve a la velocidad mínima en promedio.
Teniendo ya esta distancia se compara con la distancia indicada por el usuario,
cuando la distancia actual es mayor a la distancia del usuario se cambia el valor
de pfinal por la altura inicial de la plataforma, dando por terminado el moviendo
horizontal de plataforma e iniciando el de emersión.
El movimiento de emersión sigue las reglas determinadas por la diferencia entre
pcatual y pfinal. Si esta diferencia es menor a hmin el movimiento del servomotor
esta regido por el control proporcional, de lo contrario se rige por el control
saturado (Diagrama 9). En el momento que pacutal vuelve a ser igual a pfinal
indica que la plataforma retornó a su posición inicial, es decir, el movimiento
descrito por el usuario ya fue realizado, por lo que la plataforma regresa a el
estado de reposo preparado a recibir otra trayectoria.
77
5. ANALISIS DE RESULTADOS
5.1 Relación del empuje y velocidad de la plataforma con diferentes tipos de colas Se realizaron diferentes pruebas para encontrar la relación que existe entre el
empuje y velocidad con respecto a los cambios en el propulsor, la cola. Para
medir tanto el empuje como la velocidad de la plataforma se utilizó la Plataforma
de Pruebas, su funcionamiento esta descrito en el Capitulo 4.
El entorno de pruebas se muestra en la figura 62. En la interfaz gráfica se pueden
observar los siete sensores que captan el empuje que hace la plataforma, así
como la velocidad promedio que experimenta la misma a través de toda la
trayectoria.
Figura 62. Entorno de pruebas.
Los sensores 1, 2 y 3 describen el empuje que hace la plataforma hacia atrás. El
sensor 1 capta el empuje que hace la plataforma en la línea del movimiento. El
sensor 2 esta ubicado al lado derecho del sensor 1, lo que indica que este
registrará el empuje que hace hacia esta dirección, al igual que el sensor 3 que
78
esta ubicado a la izquierda del sensor 1.
Los demás sensores captan el empuje que la plataforma realiza hacia el lado
parte de los resultados que se muestran en la interfaz gráfica de la plataforma de
Forma 1- Caucho Silicona
izquierdo de la misma. Estos sensores están espaciados 15cm entre sí y de tal
manera describen el empuje en de la plataforma en toda su trayectoria. Están
colocados en forma descendente, es decir, el sensor 4 es el que encuentra más
cerca al punto de partida y en sensor 7 es el que esta más lejos de este.
A
pruebas, se tiene un video anexo para observar el comportamiento de la
plataforma robótica con cada una de las colas.
•
Figura 63. Forma 1 caucho silicona.
79
La magnitud que se puede observar en todos los sensores es muy pequeña, lo
que indica que el empuje realizado por la plataforma no es muy significativo. La
velocidad es de 4,5 cm/seg, la que resulta un poco lenta.
También se puede apreciar tanto en la gráfica como en el video anexo, que el
empuje lateral es muy poco, dando como resultado que este tipo de cola no
presenta un gran empuje hacia ningún lado. Se debe tener cuenta que el empuje
que mas sobresale es el empuje en la línea de movimiento (sensor 1), lo que se
hace notorio en la gráfica ya que es este el que tiene mayor amplitud y en el video
por que la plataforma mantiene su movimiento hacia adelante con muy poca
desviación hacia los lados.
Como se puede observar en el video, la plataforma no presenta ningún
movimiento lateral. El ángulo que recorre la cola es pequeño, lo que se refiere a
que cuando la cola hace su movimiento de derecha a izquierda, los límites de este
movimiento están muy cercanos al eje central, por lo que indica que el agua que
desplaza es menor.
• Forma 2- Caucho Silicona
Esta cola presenta mayor empuje que la anterior, como se puede observar en la
magnitud de las gráficas y en el desplazamiento de agua como se muestra en el
video anexo. La velocidad promedio es de 5,58 cm/seg, un poco mayor a la
anterior.
La gráfica muestra que el sensor 1 es el que presenta una mayor amplitud, por lo
que se puede intuir que el movimiento de la plataforma es en forma recta. Sin
embargo se puede observa la diferencia que existe entre el sensor 2 y 3, lo que
indica que la plataforma gira un poco hacia un lado, permaneciendo esta
constante durante toda la trayectoria.
80
Figura 64. Forma 2 caucho silicona
Como muestran los sensores laterales, esta cola realiza un empuje lateral y
corroborando con el video, este empuje se debe al movimiento que la plataforma
realiza hacia los lados (cabeceo). Este movimiento se debe a la respuesta de la
plataforma con respecto a la resistencia que ejerce el agua al movimiento de la
cola. El ángulo que recorre la cola es mayor que el anterior.
• Forma 3- Caucho Silicona
Hasta el momento esta es la cola que presenta la menor velocidad 4,50 cm/seg.
La magnitud del empuje en el sensor 1 es mayor a sus antecesoras.
81
Figura 65. Forma 3 caucho silicona.
Como se puede observar existe una gran diferencia entre el sensor 1 con el 2 y 3,
lo que indica que el empuje de este tipo de cola es directivo, ya que el empuje que
registran los sensores adjuntos a la línea de movimiento es mucho menor que el
que presenta el sensor 1. Un resultado a esta notoria diferencia es la linealidad del
movimiento.
En el video anexo se puede encontrar que el empuje que hace la cola, es hecho
en un gran porcentaje en la parte final de la misma, lo que se puede corroborar en
las gráficas. Gracias a que este tipo de cola es alargada, el movimiento de la
misma es ondulatorio, lo que hace que el mayor empuje se presente en la parte
final de esta.
La plataforma no presenta ningún movimiento de cabeceo, lo que implica que el
empuje registrado es debido únicamente al movimiento de la cola. El ángulo que
82
esta recorre es pequeño, sin embargo la longitud de la cola permite que esta
realice movimientos más abiertos que los de su base.
• Forma 1- Caucho Silicona con Acetato
Figura 66. Forma 1 caucho silicona con acetato.
Esta es la primera cola con una varianza en su composición, el acetato. En esta
cola se encuentra una lámina de acetato entre las dos capas de caucho silicona,
con esto se buscaba mayor rigidez. Como se puede observar esta cola presenta
un aumento en la velocidad, la cual es de 11,76 cm/seg.
La magnitud del empuje del sensor 2 y 3 también sufrió un aumento, al igual que
lo captado por los sensores laterales, lo que indica que el movimiento longitudinal
de la plataforma se debe al empuje lateral, el cual que se presenta
simétricamente.
83
En el video anexo se observa que el cabeceo de la plataforma también se
incrementa, lo que a su vez aumenta el desplazamiento de agua hacia los lados,
captados por los sensores laterales, como se muestra en el gráfica.
En el video también se puede observar que el movimiento total de la cola sigue la
base de la misma, es decir, el movimiento que se le imprime a la cola en su base
se extiende sobre la misma.
Esto permite que se desplace una mayor cantidad de agua de manera más rápida,
lo que no se puede observar en la cola de caucho silicona de la misma forma, ya
que esta no tiene la suficiente fuerza para vencer la resistencia del agua para
moverse completamente.
• Forma 2- Caucho Silicona con Acetato
Figura 67. Forma 2 caucho silicona con acetato.
84
En esta cola no se presenta el aumento de velocidad como ocurrió con la anterior
del mismo material. La velocidad que esta presenta es de 5,22 cm/seg.
Con respecto al empuje, se puede observar en las gráficas que la magnitud que
predomina es la del sensor 3, lo que no se notaba en anteriores tipos de cola. Con
el video se puede observar que este comportamiento se debe a que la plataforma
no sigue un movimiento lineal sino que tiende hacia el lado derecho.
Al moverse la plataforma hacia el lado derecho, la línea de movimiento cambia,
alineándose con el sensor 3, lo que explica su gran magnitud con respecto a los
sensores cercanos.
Los últimos dos sensores laterales no registraron un gran empuje lo que se debió
al giro que presentó la plataforma hacia el lado derecho. Lo que no ocurrió con los
dos primeros lo cuales registraron el empuje que hizo la plataforma hacia los
lados, como se puede analizar esta magnitud fue grande en comparación con las
anteriores, lo que indica que esta cola tiene mayor empuje hacia los lados.
Esta cola también sigue con el movimiento de su base, lo que hace que desplace
más y con mayor rapidez el agua. Sin embargo esta cola sigue rígidamente el
movimiento a diferencia que la anterior, la cual también sigue el movimiento pero
con la presencia de algunas ondulaciones, producidas por la mayor longitud y área
que la cola de la forma 1 tiene. Este tipo cola también hace que la plataforma
presente cabeceo, que como se dijo anteriormente este movimiento desplaza el
agua con el cuerpo de la misma.
• Forma 3- Caucho Silicona con Acetato
La velocidad que presenta esta plataforma con este tipo de cola es de 6.23cm/seg.
El empuje hacia atrás es mayor, teniendo en cuenta los tres sensores traseros.
85
Figura 68. Forma 3 caucho silicona con acetato
Esta cola proporciona un movimiento lineal, ya que el empuje de esta es
completamente hacia atrás, lo que se puede deducir observando la magnitud de
los sensores laterales que es mínima.
Haciendo un paralelo entre el video y la gráfica, se puede observar que la
plataforma cambia su línea de movimiento, alineándola con el sensor 2, lo que
explica su magnitud.
EL movimiento de esta cola es ondulatorio, lo que permite que se creen unos
vórtices, los cuales aumentan el empuje hecho hacia atrás, además de hacerlo
directivo.
Es importante notar en el video, que el movimiento de la plataforma no presenta
cabeceo, por lo que el desplazamiento de agua hecho por el cuerpo de la
86
plataforma es nulo, teniendo como resultado una disminución del empuje lateral
total.
• Forma 1- Caucho Silicona con Zinc
Figura 69. Forma 1 caucho silicona con zinc
La velocidad de la plataforma con este tipo de cola es de 9,66 cm/seg, la cual es
un poco menor a la velocidad que presenta con la cola de caucho silicona con
acetato de la misma forma.
En la gráfica se muestra un cambio brusco en el sensor 7, lo que se debe a que la
plataforma chocó con este mientras recorría la piscina.
El empuje que presentan los sensores traseros corresponde al mostrado en las de
su forma. En cuanto a los sensores laterales, se aumenta el promedio del empuje,
lo cual es debido a que el cabeceo de la plataforma se incrementa también.
87
Este cabeceo se debe a que la rigidez de la cola se aumentó con la lámina de zinc
que lleva dentro de esta, por consiguiente desplaza mayor agua, como se puede
observar en el video.
El movimiento de la cola sigue rígidamente el de su base, lo que se encontró en
colas anteriores. Esta en una diferencia entre su homóloga de caucho silicona con
acetato, ya que esta última presenta un movimiento más suave, es decir, no
presenta la rigidez del zinc.
• Forma 2- Caucho Silicona con Zinc
Figura 70. Forma 2 caucho silicona con zinc
El empuje que presenta los sensores en este tipo de cola, tienen una forma
totalmente diferente a los anteriormente vistos. Esto se debe al movimiento que
88
tiene la plataforma, la cual gira sobre su mismo eje sin presentar desplazamiento
longitudinal.
La velocidad de la plataforma no se pudo calcular, ya que la forma de hacerlo está
orientada a la detección de un moviendo longitudinal a través de la piscina.
El movimiento que presenta la plataforma se puede observar tanto en el video
como en el análisis de la gráfica, en donde se presenta una primera aparición del
empuje en el sensor 2, luego desparece por un tiempo, para luego se captado por
el sensor 7, lo que indica que el giro es en contra de las manecillas de reloj. Esto
se repite con los sensores 6, 5 y 4 consecutivamente.
Al analizar el movimiento hecho por la plataforma, se puede deducir que este tipo
de cola esta haciendo un gran empuje hacia la izquierda, sin ser contrarestado con
su opuesto simétrico. Por consiguiente no existe empuje en dirección de la línea
de movimiento.
Este movimiento se presenta debido a la disminución de flexibilidad en una cola
con un área de desplazamiento tan pequeña.
• Forma 3- Caucho Silicona con Zinc
La magnitud del empuje en los sensores traseros es ligeramente mayor que con
los anteriores tipos de colas, como se puede ver en la gráfica.
Como se puede observar tanto en el video como en la gráfica de los sensores
laterales, la plataforma desplaza una mayor cantidad de agua hacia los lados. Por
lo que el empuje sobre estos se mantiene a lo largo de la trayectoria.
89
Figura 71. Forma 3 caucho silicona con zinc
Como se mencionó anteriormente el zinc hace que la cola obtenga mayor rigidez,
por consiguiente pierde su flexibilidad. En esta forma de cola esto afecta en gran
medida, debido a que este tipo de cola aprovecha la flexibilidad para crear los
vórtices, que a su vez empujan la plataforma sin permitir que esta se desvíe.
Como se puede ver, la forma de esta cola tiene una constante en su
comportamiento, como es el de garantizar un movimiento lineal, que con este
material se pierde, debido a la rigidez de la misma, producido por la lámina de
zinc.
90
• Forma 4- Caucho Silicona con Zinc
Figura 72. Forma 4 caucho silicona con zinc.
Esta cola es la que presenta menor velocidad entre todas las colas probadas, la
cual es de 3,89 cm/seg. Sin embargo es la que presenta mayor empuje como se
puede observar tanto en el video como en la gráfica.
Esta forma fue probada pero no registrada en otros materiales. En caucho silicona
presentaba el mismo comportamiento que con la forma 1, ya que el movimiento de
la base no se reflejaba en toda la cola, por lo cual el desplazamiento de agua era
mínimo. Algo parecido ocurrió con la de caucho silicona con acetato, debido a su
tamaño el acetato no pudo vencer la resistencia del agua, por lo que también el
desplazamiento del agua fue mínimo.
En cuanto al PVC, se obtuvieron problemas de quebrantamiento de la cola en su
base, debido la rigidez del material, el tamaño y el constante movimiento de esta.
91
Sin embargo se hicieron pruebas con la cola de forma 4 con caucho silicona con
lámina de zinc. Con esta se obtuvo un gran empuje hacia todos los lados, tanto en
la parte trasera como en la lateral. Debido a la gran área de la cola, esta puede
desplazar mayor cantidad de agua, la cual se traduce en empuje. También este
tipo de cola hace que la plataforma presente un movimiento de cabeceo, el cual es
casi simétrico debido a la velocidad que lleva esta.
Como se puede observar en el video esta cola logra desplazar una gran cantidad
de agua, mientras su trayectoria es lineal. En otras colas el cabeceo influía en la
linealidad de la trayectoria, lo que no se observa en esta debido a la baja
velocidad de la plataforma. En el movimiento de la cola, se presentan
ondulaciones de la misma debido a su gran longitud, permitiendo así un mayor
ángulo de desplazamiento en la parte final de esta, lo que se traduce en mayor
empuje.
• Forma 1- PVC En la gráfica se puede observar un aumento del empuje sobre los sensores
laterales. Sin embargo la velocidad no tiene un aumento significativo, ya que se
encuentra dentro del promedio, su valor es de 6,47 cm/seg.
En el video se muestra como el movimiento de cabeceo se incrementa con este
tipo de cola, lo que se ve reflejado en la gráfica con el aumento del empuje lateral.
Esto indica que el empuje registrado por los sensores laterales, corresponde al
desplazamiento de agua producido por el cuerpo de la plataforma robótica.
92
Figura 73. Forma 1 PVC
El cabeceo irregular que experimenta la plataforma hace que esta se desvíe de su
línea de movimiento, por lo que este deja de ser lineal. El empuje que la
plataforma realiza en dirección de la línea de movimiento no tiene un aumento
significativo, lo que se ve reflejado en la velocidad que experimenta la plataforma.
El movimiento que experimenta la cola es bastante rígido, lo que se debe a la
composición de la misma y su grosor, oponiéndose así a la flexibilidad en el
movimiento de esta.
• Forma 2- PVC
Antes de analizar la gráfica, se debe observar en el video el movimiento que
presenta la plataforma, en donde primero no presenta ninguna clase de
desplazamiento aunque la cola se esta movimiento.
93
Figura 74. Forma 2 PVC
Luego comienza a girar sobre su propio eje como se presentó con esta misma
forma de caucho silicona con zinc. Observando la gráfica, se puede analizar que
el empuje sobre el sensor 1 se mantiene durante un largo tiempo, para luego ser
captando por el sensor 2, lo que ocurre consecutivamente con el resto de
sensores, teniendo en cuenta que el giro es en contra de las manecillas del reloj.
Como se puede analizar, la forma de esta cola es la que hace que el empuje hacia
el lado izquierdo sea mucho mayor, moviéndose de esta manera en círculo.
• Forma 3- PVC
Este tipo de cola hace que la velocidad de la plataforma aumente, su valor es de
12,38 cm/seg. El empuje hacia atrás es mayor, teniendo en cuenta que hacia los
lados no es muy notorio.
94
Figura 75. Forma 3 PVC
En el video se puede observar que la plataforma presenta un ligero movimiento de
cabeceo, lo que indica que el empuje que registraron lo sensores depende en su
mayoría del movimiento de la cola. Es por esto que la magnitud de los sensores
laterales no es muy grande.
La trayectoria que sigue la plataforma con este tipo de cola es lineal, sin embargo
se presenta una pequeña desviación hacia el lado izquierdo, lo que se confirma
con la diferencia entre el sensor 2 y 3. Debido a la longitud de este tipo de cola, el
material la hace más rígida pero no pierde su flexibilidad totalmente. Lo que ayuda
a que su parte final tenga mayor movimiento, permitiendo así mayor
desplazamiento de agua.
Análisis:
95
Para el movimiento tanto de emersión como de inmersión, se necesita que la
plataforma venza la fuerza de gravedad y de flotabilidad respectivamente. Por lo
que buscó la cola que presentará mayor empuje. Luego de observar el
comportamiento de la plataforma con cada tipo de cola se llegó que la cola más
adecuada para la plataforma es la cola con forma 4 de caucho silicona con lámina
de zinc. Esta decisión se tomo debido al empuje que ejercía esta cola es mayor a
las demás.
La forma 3 tiene un empuje directivo, lo que hace que este solo este enfocado
sobre la línea de movimiento, permitiendo así que la trayectoria posea mayor
linealidad. En cuanto a la forma 2, presenta un gran empuje lateral sin equilibrio, lo
que hace que tienda a girar sobre su mismo eje, esto se debe a su poca área de
contacto. Es importante notar la diferencia que hacen lo materiales, si la cola es
muy flexible esta no puede vencer la resistencia que ejerce el agua, pero si es
muy rígida sigue con el movimiento de la base lo que hace el ángulo de barrido no
sea muy grande.
En el momento que se encuentra un equilibrio entre estos dos extremos, se puede
observar que la cola barre un ángulo mayor al de la base, lo que incrementa el
empuje hecho por la misma.
5.2 Relación entre el voltaje de entrada, la frecuencia angular de la cola y su empuje. En el video anexo se puede observar como la velocidad angular de la cola cambia
al variar el voltaje de entrada del motor DC, el cual es el encargado de mover esta.
Como se puede observar al disminuir el voltaje del motor DC la velocidad angular
disminuye, aumentado de esta manera la cantidad de agua desplazada, por
consiguiente el empuje aumenta.
También se puede observar que a medida que se reduce el voltaje se incrementan
lo vórtices hechos por la cola. Es por esto que se escogió un rango de voltaje
entre 1V y 0.7V para tener el mayor empuje posible.
96
5.3 Comunicación
5.3.1 Impermeabilización del sistema de comunicación
Sabiendo que el método de impermeabilización a utilizar es el látex, tanto para el
receptor como el transmisor, se quiso encontrar las perdidas debidas al látex. Esta
prueba consiste en emitir un sonido a través del parlante de membrana, el cual es
una señal sinusoidal a una frecuencia de 1KHz y recibirla en el micrófono electrec.
Se toma como medida la relación que existe entre el voltaje que ingresa al
parlante y la salida del micrófono una vez amplificada, esta relación es llamada
Vo/Vin.
Para el análisis se realizaron varias pruebas sobre la calidad de la señal recibida
por el receptor a diferentes distancias de la fuente. Estas distancias fueron: 0, 10,
20, 30, 40, 50 y 60 cms
• Parlante de membrana y micrófono electrct en el medio aire
La medición de la señal correspondió a la relación entre Vo/Vin. El valor que se
registra en la tabla 4 corresponde al promedio de 4 mediciones realizadas a
distintas distancias por cada una de las pruebas realizadas.
Cada una de las pruebas tenía especificaciones distintas así:
Prueba 1: Parlante y Micrófono con Impermeabilización
Prueba 2 : Parlante sin Impermeabilización y Micrófono con Impermeabilización
Prueba 3: Parlante y Micrófono sin Impermeabilización
Prueba 4: Parlante con Impermeabilización y Micrófono sin Impermeabilización
97
PROMEDIO DE LA SEÑAL MEDIDA A DISTANCIAS
DISTINTAS Y TIPO DE PRUEBAS
DISTANCIA (CMS) Prueba 0 10 20 30 40 50 60
Prueba 1 0,71 0,09 0,05 0,047 0,05 0,037 0,028 Prueba 2 0,61 0,1 0,06 0,06 0,04 0,03 0,04 Prueba 3 1,89 0,16 0,11 0,08 0,07 0,05 0,04 Prueba 4 1,00 0,11 0,06 0,03 0,04 0,04 0,02
Tabla 4. Promedio de la señal medida a distancia distintas y tipo de pruebas.
PROMEDIO DE Vo/Vin MEDIDA A DISTANCIAS DISTINTAS Y TIPO DE PRUEBAS
00,20,40,60,8
11,21,41,61,8
2
0 10 20 30 40 50 60
Distancia (cm)
Vo/V
in
prueba 1 prueba 2 prueba 3 prueba 4
Gráfica 1. Promedio de Vo/Vin medida a distancias distintas y tipo de pruebas.
Para una distancia de 0cm Al analizar el comportamiento de Vo/Vin en la distancia 0 se observa una
diferencia bastante notoria de la prueba 3 frente a las restantes. Con la prueba
número 3 el promedio de la señal alcanza un valor de 1.89 frente a 1.00 de la
prueba 4, 0.71 de la prueba 1 y 0.61 de la prueba 2.
98
PROMEDIO DE Vo/Vin MEDIDA A DISTANCIAS DISTINTAS Y TIPO DE PRUEBAS
00,020,040,060,080,1
0,120,140,160,18
0 10 20 30 40 50 60
Distancia (cm)
Vo/V
in
prueba 1 prueba 2 prueba 3 prueba 4
Gráfica 2. Promedio de Vo/Vin medida a distancias distintas y tipo de pruebas (10-60 cm)
Para una distancia entre 10cm y 60cm El análisis del comportamiento promedio de Vo/Vin a distancias distintas según las
pruebas realizadas, permite evidenciar un comportamiento muy similar
indistintamente del tipo de prueba analizado.
Se observa una tendencia descendente en la señal medida a distancias cada vez
mayor, en todos los tipos de pruebas.
A 10 cms de distancia la señal que registra un valor mayor es la correspondiente a
la prueba 3 con 0.16 seguida de la prueba 4 con 0.11, la prueba 2 con 0.10 y la
prueba 1 con 0.09.
Esta situación es similar a la registrada en las distancias superiores donde el valor
mayor corresponde a la prueba 3 y el menor valor a la prueba 1.
99
A 60 cms de distancia la señal más elevada la registra la prueba 3 con 0.04,
seguido de la prueba 4 con 0.02, la prueba 2 con con 0.01 y la menor fue la
prueba 1 con 0.028.
CONCLUSIONES Luego de realizar distintas mediciones a distancias diferentes y con 4 pruebas
definidas previamente se observa que las mejores señales se relacionan con la
prueba 3, esto es con Parlante y Micrófono sin Impermeabilización. Estos mejores
resultados se destacan a un distancia de 0 cms donde la prueba 3 casi duplica la
señal registrada por la prueba siguiente que fue la número 4.
A partir de los 10 cms. La señal baja drásticamente en todas las pruebas aunque
se mantiene que la señal más fuerte es la registrada con la prueba 3, mientras que
la señal más baja corresponde a la prueba 1.
• Parlante de membrana y micrófono electrct en el medio agua
Se realizó el mismo procedimiento para el parlante de membrana y el
micrófono electrct, pero esta vez la prueba se hizo en el medio agua. Dada las
condiciones de este medio fue necesario impermeabilizar tanto el parlante
como el micrófono con látex. Al igual que en el análisis anterior la medición de
la señal correspondió a la relación entre Vo/Vin. El valor que se registra en la
tabla 5 corresponde al promedio de 4 mediciones realizadas a distintas
distancias.
COMPORTAMIENTO PROMEDIO DE Vo/Vin A DISTANCIAS DISTINTAS EN EL MEDIO AGUA
PRUEBA 10 20 30 40 50 60 PRUEBA
1 0.24 0.098 0,048 0,097 0,078 0,14 Tabla 5. COMPORTAMIENTO PROMEDIO DE Vo/Vin A DISTANCIAS
DISTINTAS EN EL MEDIO AGUA
100
Con relación a la prueba se puede observar un comportamiento correspondiente a
una función de 4er grado a partir de los 10cms, registrando un fuerte descenso en
la medida promedio de los 10 a 20 cms, registrando un aumento leve en los 40 y
60 cms, según se observa en la gráfica siguiente y la tabla anterior.
COMPORTAMIENTO PROMEDIO DE Vo/Vin A DISTANCIAS DISTINTAS EN EL MEDIO AGUA
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 10 20 30 40 50 60 70
Distancia (cm)
Vo/
Vin
Gráfica 3. Comportamiento promedio Vo/Vin a distancias distintas en el medio
agua.
• Comparación entre el medio aire y agua con parlante de membrana y
micrófono electrect
La medición de la eficiencia tanto en agua como en aire permite registrar los
valores más elevados en la distancia 0 para cada una de las pruebas realizadas.
La medición de la eficiencia corresponde a los valores promedios obtenidos en las
4 mediciones realizadas.
A partir de la distancia 0 se observa un drástico descenso en las mediciones
promedio en todas las pruebas realizadas en aire y agua. En el caso del aire los
mejores promedios se reportan con la prueba número 3 a partir de los 10 cms.
Con relación a la eficiencia registrada en las frecuencias audibles con la prueba 3,
donde se aplicó látex tanto al parlante como al micrófono, se observan mejores
101
registros en el agua frente al aire en todas las distancias a partir de los 10 cms sin
embargo a los 30 cms de distancia la eficiencia es igual tanto en agua como en
aire.
En el caso del agua se observa un gran descenso en la eficiencia a partir de los 20
cms, descendiendo al mínimo valor a los 30 cms cuando la eficiencia de la señal
es igual, tanto en agua como en aire. A partir de dicha distancia se observan
mejores registros en la señal en agua, destacándose los de los 40 y 60 cms.
En el caso de la eficiencia en aire, la eficiencia muestra una tendencia
descendente a medida que aumenta la distancia, con valores muy inferiores a los
registrados en agua, con excepción de la distancia 30 cuando la señal reporta en
promedio valores iguales.
Lo anterior se puede observar en la gráfica siguiente:
Comparación entre el medio aire y agua con parlante de membrana y micrófono electrect
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 20 40 60 80
Distancia (cm)
Vo/
Vin
AIREAGUA
Gráfica 4. Comparación entre el medio aire y agua con micrófono electrect y
parlante de membrana.
102
• Parlantes piezoeléctricos
Se realizaron las mismas pruebas anteriormente descritas, pero esta vez
utilizando parlantes piezoeléctricos y combinándolos con parlante de
membrana y micrófono electrect. La medición de la señal correspondió a la
relación entre Vo/Vin. Los valores que se registran corresponden al promedio
de 4 mediciones realizadas a distintas distancias por cada una de las pruebas
realizadas.
Cada una de las pruebas tenía especificaciones distintas así:
Prueba 6: Parlante y Micrófono piezoeléctrico
Prueba 7: Parlante piezoeléctrico y micrófono electrect
Prueba 8: Parlante de membrana y micrófono piezoeléctrico.
Eficiencia piezoeléctrico
-0,010
0,010,020,030,040,050,060,070,08
0 10 20 30 40 50 60 70Distancia (cm)
Vo/V
in
Prueba 6 Prueba 7 Prueba 8
Gráfica 5. Eficiencia parlante piezoeléctrico.
De conformidad con el análisis de la grafica se observa que con la prueba 6 se
obtiene el registro promedio más elevado frente a las pruebas 7 y 8 cuyos valores
desde la distancia de 10 a 60 cms se mantienen muy cerca al valor de 0.
103
Con respecto a la prueba 6 luego de los 10 cms donde registra un valor promedio
cercano a 0.035 cae a 0 hacia los 20 cms.
• Comparación entre parlante de membrana y el parlante piezoeléctrico.
PARLANTE AUDIO vs. PARLANTE PIEZOELECTRICO
00,05
0,10,15
0,20,25
0,3
0 20 40 60 80Distancia (cm)
Vo/V
in
PARLANTEAUDIO
PARLANTEPIEZOELEC
Gráfica 6. Parlante de membrana Vs. Parlante piezoeléctrico.
Del análisis de la gráfica se observa un comportamiento completamente diferente
entre el parlante piezoeléctrico y el parlante de membrana, a distancias diferentes.
La eficiencia promedio del parlante de membrana a una distancia de 10 cms
registra el máximo valor cercano a 0.25 descendiendo posteriormente a un valor
de 0.05 hacia los 30 cms. Luego hacia los 40 cms registra un nuevo aumento
hasta los 0.10 descendiendo nuevamente a los 50 cms y registrando un nuevo
aumento a los 60 cms. En síntesis la eficiencia promedio del parlante registra un
movimiento de cuarto grado.
En contraste el parlante piezoeléctrico muestra un comportamiento lineal en todas
las distancias con un promedio de 0.
104
5.3.2 Rango de frecuencia para el sistema de comunicación. Una vez se decidió que los dispositivos a utilizar en la comunicación eran el
parlante de membrana y y un micrófono electrect se prosiguió a observar el
comportamiento que tenían estos dispositivos en el agua a diferentes frecuencia
para que de esta forma se pudiera obtener las frecuencia que se iban a utilizar en
la transmisión de los datos.
Se realizó un barrido en frecuencia teniendo al receptor a una distancia de 45cm
de la fuente. La señal obtenida en la grafica corresponde al promedio de 4
mediciones realizadas.
Barrido en frecuencia
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Frecuencia (Hz)
Vo/V
in
Gráfica 7. Barrido en frecuenta.
Como se puede observar la grafica presenta un valor máximo a una frecuencia de
1kHz y el siguiente valor máximo se tiene en 600Hz. También se puede ver un
comportamiento creciente entre 50Hz y 600Hz y entre los 850Hz y 1kHz y un
comportamiento decreciente entre los rangos de frecuencia entre 600Hz y 850Hz y
para frecuencias mayores a 1KHz.
105
6. CONCLUSIONES
En este tipo de proyectos, donde el agua juega un papel muy importante, es
fundamental tener una infraestructura adecuada para esto. Desafortunadamente la
universidad no cuenta con este tipo recurso lo que hace un poco mas lento el
desarrollo del proyecto.
El estudio realizado para obtener una comunicación por debajo del agua indica
que este medio posee muchas menos perdidas que un medio como es el aire.
Para realizar un movimiento de inmersión y uno de emersión de forma correcta es
demasiado importante encontrar el punto de equilibrio entre la fuerza de flotación y
el peso. Cualquier peso de mas como puede ser una gota de agua o cualquier
flotador de mas como una burbuja hacen que el sistema cambie completamente,
haciendo que este se hunda por completo o al contrario, que nunca se hunda. Por
esto para futuros proyectos se recomienda utilizar una válvula que se llene de aire
para así obtener el ajuste fino de estas dos fuerzas.
Otro factor muy importante para obtener un movimiento de inmersión y emersión
de forma adecuada es la colocación de los flotadores. Se recomienda poner los
flotadores a los lados, no en el mismo sentido de la masa en movimiento, ya que
estos flotadores sirve de pivote para realizar estos dos movimientos.
El propulsor juega un papel muy importante en este proyecto ya que es él el que
hace la fuerza necesaria para mover a la plataforma dentro del agua. En este
caso el propulsor es la cola, esta no necesariamente debe ser muy potente, sino
que debe generar mucho empuje, es decir, desplazar mucho liquido para poder
desplazarse. Para obtener una cola con un buen empuje es fundamental la forma,
el material en el que se realiza y la forma que esta tiene.
106
La comunicación propuesta en este proyecto abre las fronteras para futuras y
novedosas formas de comunicación marina ya que este estudio rompió con las
creencias que se tenían de las perdidas en este medio.
Este tipo de proyectos submarinos donde la plataforma esta en capacidad de
sumergirse y emerger del agua van a ser de gran utilidad para próximas
exploraciones oceánicas ya que propone una forma distinta a la de los submarinos
para realizar estos movimientos.
107
BIBLIOGRAFÍA [1] ALBA, Cesar; CASTILBLANCO, Rodrigo; Mancera. “Plataforma robot
Subacuatica Propulsada por Aletas Pectorales”. Bogotá D.C., 2004. Trabajo de
grado (Ingeniero Electrónico). Pontificia Universidad Javeriana. Facultad de
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108
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Javeriana. Facultad de Ingeniería. Departamento de Electrónica.
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[21] Robotuna II,
http://www.mit.edu/afs/athena/org/t/towtank/www/tuna/robotunaII.html
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[23] Robots, http://nereus.mech.ntua.gr/pdf_ps/med03.pdf
[24] SEARS, Francis; ZEMANSKY, Mark; “Fisica”; Ed. Aguilar; 1966.
[25] Servocity, http://www.servocity.com
[26] Servomotores, http://www.creaturoides.com/srvesp.htm
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[28] Sonidos bajo el mar, http://www.cetaceanresearch.com/sounds.html
[29] Sonidos de las ballenas,http://rbcm1.rbcm.gov.bc.ca/programs/whales/pdfs/t-
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http://www.draper.com/tuna_web/frameset.htm?../title.htm&fishliketit.htm&../nav.ht
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kinematics of flapping aquatic flight in the bird wrasse gomphosus varius
110
(Labridae) En: The Journal of experimental Biology 200, 1997. .
ANEXOS
Preparación del yeso.
1. En un recipiente de plástico se vertió agua, proporcional al tamaño del
molde.
2. Luego se añadió yeso al agua, de tal forma que la mezcla adquiriera la
consistencia adecuada, esta depende del tiempo que se quiera de
solidificación.
3. Por último el yeso se vertió en la unión entre el molde de arcilla y la
estructura interna inicial.
Proceso para realizar la estructura en resina poliéster y fibra de vidrio.
1. Se aplican varias capas de alcohol polivinílico al molde de yeso, de tal
forma que se pudiera desmoldar fácilmente sin romper la estructura de
resina poliéster.
2. Se obtuvo la resina preacelerada por medio del siguiente proceso: Se
mezcló la resina poliéster con el catalizador (meck peróxido), el cual sirve
para cambiar de estado liquido a sólido la resina poliéster, la proporción que
se debe aplicar es una gota del catalizador por cada 25 c.c. de resina
poliéster. Luego se aplicó el acelerador (octoato de cobalto), como su
nombre lo indica acelera el proceso de solidificación.
3. Se aplicó una capa de resina poliéster preacelerada a todas las paredes
internas del molde de yeso.
111
4. Se adhirió una capa de fibra de vidrio a la primera capa de resina con mas
resina poliéster preacelerada, la cual hizo que la estructura interna de la
plataforma fuera más rígida y resistente a cualquier golpe.
5. Una vez secas las dos capas anteriores, se aplicó una última capa de
resina poliéster preacelerada, de tal forma que se cubriera la capa de Fibra
de vidrio totalmente.
6. Finalmente, se dejó secar 24 horas a temperatura ambiente para lograr la
rigidez deseada y luego desmoldarla.
Pruebas para la impermeabilización. Las pruebas se realizaron introduciendo papel toilet en cada uno de los espacios
libres dentro de la estructura interna de la plataforma, de tal forma se ubicara los
lugares de ingreso del agua a la estructura. De estas pruebas se obtuvieron los
siguientes resultados:
• El Látex no se adhiere lo suficiente a la Resina Poliéster, además se debían
aplicar muchas capas de Látex líquido, para así lograr el grosor que
cumpliera el objetivo deseado. Con este empaque se filtraba el agua
gracias a que el látex no rellenaba los huecos e imperfecciones del cierre
de la estructura.
• El Caucho para Neumático, aunque bloquea un poco más el paso de agua
que el anterior, no se adhiere lo suficiente al borde de la estructura interna
de la plataforma, por lo tanto dejaba pasar agua al interior de la misma.
• El Caucho Espuma (Fomi) llena en su gran mayoría los espacios entre la
tapa y la caja oponiéndose así al paso del agua, esto se debe que el
material tiene como característica la porosidad.
Fabricación de las colas en los diferentes materiales Caucho Silicona.
112
Para poder fabricar las aletas en caucho silicona, se realizó primero el molde de
cada una de las colas en cera polimérica, el cual se diseño de la siguiente forma:
1. El diseño se realizó en el programa llamado Mastercam®, el cual hace
parte de los programas de computador CAD - CAM para operaciones de
mecanizado, en las que una herramienta con filo de corte, ingresa en la
cera a una determinada velocidad y remueve parte de esta para obtener el
molde de la aleta respectiva. Para poder realizar la cola más fácilmente, se
hizo una división de la cola por la mitad (ver figura 35, figura 36, figura 37 y
figura 38) de tal forma que se pudiera verter el caucho silicona en el molde
de cera y luego unir las dos mitades.
Vista isométrica del molde de la forma 1 Vista isométrica del molde de la forma
2
113
Vista isométrica del molde de la forma 3 Vista isométrica del molde de la forma
4
2. Ya teniendo el molde diseñado en Mastercam®, se genera las líneas de
código en Control Numérico por medio del mismo programa, las cuales se
necesitan para poder mecanizar los moldes en un CNC (Control Numérico
Computarizado), el cual, consta de mecanismos simples de tornillos de bolas
recirculantes que facilitan el desplazamiento sin vibración y reducen
significativamente el desgaste, terminados en servomotores controlados por
un procesador y que mantienen comunicación con el usuario mediante un
tablero de control y con un lenguaje de programación universal: el lenguaje
ISO.
3. Con el código en Control Numérico, se mecanizaron las colas en el CNC,
durante 30 minutos cada una, como se observa en la figura 39 y figura 40.
114
Molde en Cera Polimérica de la
Forma 1
Molde en Cera Polimérica de la
Forma 2
Ya teniendo los moldes en cera de las colas, se mezcló y vertió el Caucho Silicona
en cada molde de la siguiente manera:
1. Se mezcla la silicona con el catalizador, este último debe ser el 5% de la
cantidad de silicona a utilizar. Ambos se deben agitar antes de hacer una
sola mezcla.
2. Luego de mezclar el caucho silicona y el catalizador, se puede verter sobre
cada uno de los moldes, de tal forma que el caucho silicona replique cada
uno de los detalles de las colas.
3. Se debe dejar dentro del molde alrededor de 24 horas a temperatura
ambiente para que el caucho silicona tome la forma deseada.
Este procedimiento se repitió para cada una de las mitades de las colas, y cuando
se tuvo cada una de estas mitades, se pegaron también con Caucho Silicona para
tomar la forma que se muestra en la figura 41, figura 42, figura 43 y figura 44.
115
Forma 1 en Caucho Silicona Forma 2 en Caucho Silicona
Forma 3 en Caucho Silicona Forma 4 en Caucho Silicona
Caucho silicona con lámina de acetato. Estas consisten en una cola de caucho silicona con una lámina de acetato entre
sus dos mitades, para la construcción de la misma se realizó el mismo
procedimiento que con las colas de caucho Silicona, con la diferencia que al pegar
las dos mitades de las colas, se agregó una lámina de acetato entre ellas. El
aspecto definitivo es el mismo que el de las colas de caucho silicona, con la única
diferencia que la aleta que tiene una lámina de acetato es un poco más rígida que
la anterior.
116
Caucho silicona con lámina de zinc. Están compuestas de las dos mitades de las colas de caucho silicona y una
lámina de zinc entre ellas, se realizó el mismo procedimiento, pero con la
diferencia que al pegar las dos mitades, se agrego una lámina de zinc entre ellas,
lo que dio como resultado una cola con mucha más rigidez que sus predecesoras.
Cloruro de Polivinilo (PVC). Para la realización de las colas se debió cambiar el proceso debido a las
propiedades del material, ya que este debe someterse a altas temperaturas para
alcanzar la consistencia deseada. El molde en cera polimérica de las colas se
diseño de la misma forma que el diseño de los moldes que se hicieron para
realizar las colas en caucho silicona, con la única diferencia que el molde de las
colas de caucho silicona se uso la concavidad de la cola, mientras que en las
colas de cloruro de polivinilo se uso el volumen de las mismas, como se observa
en la figuras 45.
Molde en Cera Polimérica para PVC de la Forma 4
Ya teniendo el molde en Cera Polimérica, se hicieron los moldes en Caucho
Silicona de cada una de las mitades de las colas (Ver figura 46, figura 47 y figura
48), debido a que el Cloruro de Polivinilo se debe poner a temperaturas altas
117
(mayor a la temperatura ambiente) para poder ser sólido y por lo tanto no se
puede fundir usando el molde en Cera Polimérica.
Molde en Caucho Silicona
de la Forma 2
Molde en Caucho Silicona de la
Forma 3
Molde en Caucho Silicona de la Forma 4
Adicionalmente se realizó un soporte en Yeso No. 2 para el molde en caucho
silicona y lograr así, fundir las mitades de las colas en un horno, el proceso de
fundir las colas en Cloruro de Polivinilo fue el siguiente:
1. Ya teniendo el molde en Caucho Silicona y el soporte en Yeso, se deben
precalentar en el horno a 400ºC por 15 minutos.
118
2. Luego se debe aplicar una capa de vaselina sobre el molde de Caucho Silicona,
de tal forma que al desmoldar la cola en Cloruro de Polivinilo no se adhiera al
Caucho Silicona.
3. Se aplica la cantidad suficiente de Cloruro de Polivinilo para cubrir todo el molde
completo de Caucho Silicona.
4. Se introduce de nuevo al horno a una temperatura de 300ºC por 15 minutos
para obtener cada una de las mitades de las colas.
5. Por último, se deben pegar cada una de las mitades correspondientes para
obtener las colas deseadas (Ver figura 49, figura 50, figura 51 y figura 52).
Cloruro de Polivinilo Forma 1 Cloruro de Polivinilo Forma 2
Cloruro de Polivinilo Forma 3 Cloruro de Polivinilo Forma 4
119
Fabricación de la aleta pectoral izquierda Se hizo un molde de Yeso No.4 de la Aleta Pectoral Derecha (Ver figura 54), de tal
forma que se pudieran copiar cada uno de los detalles de la misma y poderlos
plasmar en la nueva aleta lateral izquierda.
Molde en Yeso de la Aleta Pectoral Derecha
1. Ya teniendo el molde de la aleta lateral izquierda, se preparó el caucho
silicona a utilizar de la misma forma que el utilizado para las colas.
2. Luego se verte el caucho silicona en el molde de la aleta pectoral izquierda
poniendo dentro de ella una lámina de zinc, la cual ayuda a que la aleta sea
más rígida y de esta manera lograr que al navegar la plataforma robótica no se
incline hacia ninguno de sus lados.
120
5. Finalmente, se retiro el empaque en Látex del Molde en Acrílico, aplicando
talcos de manera que el empaque no perdiera la forma deseada para obtener
el empaque de la Figura 58.
4. Los numerales 2 y 3 se repitieron siete veces por intervalos de una hora, de tal
forma que el empaque tomará el espesor adecuado.
3. Luego se aplica una capa de Cloruro de Calcio para que el Látex adquiera una
contextura rígida con mayor rapidez.
2. Ya teniendo el molde en Acrílico, se aplica una capa de Látex sumergiendo el
molde de acrílico en el Látex.
121
1. Primero se realizó en molde en Acrílico, de las dimensiones necesarias para
albergar la batería, el sensor de presión y el micrófono (Ver figura 57), de tal
forma que se pudieran introducir en el empaque sin ningún problema.
Fabricación empaque en látex
Molde en Acrílico del Empaque de las baterías
Programa LabView Plataforma de pruebas
122
123
124
125
Secuencia 0 En la secuencia 0 del programa, se configura el puerto serial del computador. Aquí
se configura el tamaño del buffer, el puerto del computador que se va a utilizar, la
tasa de transferencia a la cual se van a enviar los datos, el número de bits de los
datos, el bit de parada y por último se configura la paridad de la transmisión.
Luego de configurar el puerto este se abre y con a función read de este programa
se lee lo que se tiene en el buffer, también se cuenta el número de bytes que
fueron recibidos en el buffer.
Secuencia 1 En la secuencia 1, el programa esta dentro de un for el cual se repite el número de
bytes que fueron contados en la secuencia 0 dividido el número de bytes que van
a ser utilizados, es decir, ocho (siete correspondientes a los sensores de empuje y
uno de la velocidad promedio). Dentro de este for se cogen los datos que llegan
del buffer y son divididos en ocho arreglos diferentes.
Secuencia 2 En la secuencia 2, ya teniendo los datos en los arreglos estos son graficados en
un waveform chart el cual tiene una longitud de un byte, es decir, ocho bits. Estas
graficas se pueden observar en la interfaz gráfica de LabView. Para el último dato,
el byte número ocho, el cual corresponde a el de la velocidad promedio, no se
grafica en un waveform chart sino que simplemente es mostrado el dato en
número decimal, este también se puede observar en la interfaz gráfica de
LabView.
Todo el programa se encuentra dentro de un while. Esto indica que solo en el
momento en que el usuario oprime el botón de inicio el cual se encuentra en la
interfaz grafica el programa empieza a correr. Esta variable de inicio en una
variable booleana.
Programa LabView Plataforma robótica
126
127
128
Secuencia 0. En esta secuencia el usuario indica la profundidad y la distancia en las respectivas
casillas las cuales se encuentran ubicadas en la interfaz grafica de LabView.
Luego de tener estos datos, cada uno se divide entre cinco, para codificar los
datos, y luego se convierte el número decimal que se tiene a número binario.
Después de tener el número en binario, este es almacenado en un arreglo.
Secuencia 1 Después de tener los datos en los arreglos estos son escritos en el buffer del
puerto serial por medio de una función write. Aquí se configura el puerto serial
donde se establece el número del puerto que se va a utilizar, el tamaño del buffer,
la tasa de transferencia, el número de bits de los datos, el bit de parada y la
paridad de la transmisión.
Todo el programa se encuentra dentro de un while lo cual indica que solo en el
momento que el usuario ponga a enviar en on los datos van a ser enviados del
computador al microcontrolador 1. Esta variable enviar es booleana y se encuentra
en la interfaz grafica de LabView.
MOTOR DC
129
COMUNICACION Y MICROCONTROLADORES 1 Y 2
130
LASER Y ENCODER
131
PIEZO ELECTRICOS 1
132
PIEZO ELECTRICOS 2
133
134
MICROCONTROLADOR 3
Código en C del Microcontrolador 3 /* ** ################################################################### ** ** Filename : NEMO.C ** ** Project : NEMO ** ** Processor : MC68HC908QY4CP ** ** ** ################################################################### */ /* MODULE NEMO */ /*Librerias*/ #include <MC68HC908QY4.h> #include <hidef.h> /*DECLARACIONES*/ /*FUNCIONES*/ void muestre(void); void ADC (void); void comunicacion (void); void delay (void); void dpeque (void); void frecuencia (void); void decode (void); void guardar (byte); void servo(byte); void presion(void); void motor_dc(void); void acelerometro(void); void control(void); /*DEFINICIONES*/ #define TRUE 1 #define FALSE 0 #define h_actual _ADR %
135
/*Puerto A*/ #define Motor_DC PTA_PTA0 /*Salida, con este pin se maneja la velocidad del motor*/ #define RxD PTA_PTA1 /*Entrada, en este pin ingresa la señal de
audio proveniente del micrófono(ADC)*/
#define Xout PTA_PTA2 /*Entrada, ingresa la inclinación de la plataforma
en el eje X */ #define out PTA_PTA3 %Borrar todo lo que tiene que ver con out% #define VDC PTA_PTA4 %Borrar todo lo que tiene que ver con out% #define Presion PTA_PTA5 /*Entrada, ingresa la presión actual de la
plataforma (ADC)*/ /*Puerto B*/ #define Servo PTB_PTB0 /*Salida, con este pin se maneja la posición del servomotor*/ #define Yout PTB_PTB3 /*Entrada, ingresa la inclinación de la
plataforma en el eje X */
/*DECLARACIONES*/ /*Se declara una estructura para manejar directamente los bits del registro*/ typedef union byte dsp1; struct byte ST0:1; byte ST1:1; byte ST2:1; byte ST3:1; byte ST4:1; byte ST5:1; byte ST6:1; byte ST7:1; Bits; Fun; volatile near Fun union1; #define flags union1.dsp1 #define loop union1.Bits.ST1 #define loop2 union1.Bits.ST2
136
#define ya_bajo union1.Bits.ST3 #define dato union1.Bits.ST4 #define error union1.Bits.ST5 #define preout union1.Bits.ST6 #define finRxD union1.Bits.ST7 static near Fun union2; #define RegTxD union2.dsp1 /*Registro de Recepción*/ #define RegTxD_0 union2.Bits.ST0 static near Fun union3; #define flags1 union3.dsp1 #define ok_RxD union3.Bits.ST0 #define com_f union3.Bits.ST1 #define servo_f union3.Bits.ST2 #define DC_f union3.Bits.ST3 #define subida_f union3.Bits.ST4 #define saturado_f union3.Bits.ST5 #define distancia_f union3.Bits.ST6 #define acelerometro_f union3.Bits.ST7 static near Fun union4; #define ready_f union4.Bits.ST0 #define ton_f union4.Bits.ST1 /*Registro de Datos (0-31)*/ #define Codinicio RegRxD[2] #define Profundidad RegRxD[1] #define Distancia RegRxD[0] static near byte data; static near byte cero1; static near byte cero2; static near int frec; static near byte max; static near byte min; static near byte f1max; static near byte f1min; static near byte f0max; static near byte f0min; volatile near int cont; volatile near int cont2; volatile near int ton;
137
volatile near int toff; volatile near int cont_s; volatile near int cont_dc; volatile near int cont_dist; volatile near int cont_acelerometro; static near byte cont_bit; static near byte RegRxD [3]; static near byte temp; static near byte num_while; static near byte p_actual; static near byte p_final; static near byte p_usuario; static near byte dh; static near byte h_lim; static near byte ciclo_servo; static near byte ciclo_dc; static near byte frec_dc; static near byte frec_s; static near byte adelante; static near byte medio; static near byte atras; static near byte const_1; static near byte const_2; static near byte vel_min; static near byte d_usuario; static near byte p_inicial; static near byte p_media; void main(void) /*INICIALIZACION*/ /*VARIABLES*/ flags=0; flags1=0; cero1=124; cero2=128; max=180; min=35; f0max=39;
138
f0min=30; f1max=26; f1min=16; frec_dc=40; frec_s=40; adelante=37; medio=20; atras=8; h_lim=2; /*PUERTO A*/ DDRA=9; /*Puerto A:0->out MOTOR_DC 1->in RxD 2->in Xout 3->out out 4->in VDC 5->in Presión */ PTA=0; /*Inicializar el puerto A cero*/ /*PUERTO B*/ DDRB=247; /*Puerto B:0->out Servo 1->out 2->out 3->in Yout 4->out 5->out 6->out 7->out Sw_Servo */ PTB=0; /*Inicializar el puerto B en cero*/ /*TIMER*/ TSC=48; /*Reseteo el timer*/ TMOD=160; /*Tiempo de interrupción 50useg*/ TSC=96; /*Dejo el timer en STOP*/ /*ADC*/ ADSCR=31; /*Hace Reset al ADC */ ADICLK=1; /*Configuro el reloj del adc*/ /*Tiempo de inicialización*/
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delay(); delay(); delay(); EnableInterrupts; /*Se habilitan interrupciones generales*/ CONFIG1=0x01; /*Se deshabilita el Watchdog */ for(;;) /*Loop infinito*/
comunicacion(); if(finRxD)
control();
/*FUNCIONES*/ void control(void) unsigned int i; unsigned int l; i=250; for(i;i>0;i--) TSC=64; servo(adelante); TSC=48; i=6; Servo=FALSE; Motor_DC=TRUE; presion(); p_inicial=p_actual; for(i;i>0;i--) TSC=64; Servo=FALSE;
140
Motor_DC=TRUE; cont=0; while(cont<20000); TSC=48; presion(); p_actual=p_media; i=250; for(i;i>0;i--) TSC=64; servo(medio); TSC=48; Servo=FALSE; Motor_DC=TRUE; presion(); p_actual=p_media; l=1; for(l;l>0;l--) TSC=64; cont2=0; while(cont2<20000) Motor_DC=TRUE; presion(); //if(p_actual>p_media+5) // i=500; for(i;i>0;i--) servo(25); Servo=FALSE; //
141
// else // i=500; for(i;i>0;i--) servo(15); Servo=FALSE; // TSC=48; presion(); if(p_actual<p_inicial+10) dpeque(); presion(); if(p_actual<p_inicial+10) i=500; for(i;i>0;i--) TSC=64; servo(atras); TSC=48; while(p_actual<p_inicial+10) Motor_DC=TRUE; presion(); Motor_DC=FALSE;
142
void servo (byte ciclo_util) Servo=TRUE; // TSC=64; cont=0; while(cont<ciclo_util); Servo=FALSE; cont=0; while(cont<40-ciclo_util); //TSC=48; /*void servo (void) if(cont_s<ciclo_servo) Servo=TRUE; else if(cont_s==frec_s) cont_s=0; else Servo=FALSE; */ /*void motor_dc(void) if(cont_dc<ciclo_dc) Motor_DC=TRUE; else if(cont_dc==frec_dc) cont_dc=0; else
143
Motor_DC=FALSE; */ /*void motor_dc(void) Motor_DC=FALSE; TSC=64; /*Inicio el Timer*/ /* cont=0; while (cont<20); cont=0; while (cont<20); TSC=48; void muestre(void) unsigned char cont_muestre; cont_muestre=8; for(cont_muestre;cont_muestre>0;cont_muestre--) if(RegTxD_0) out=TRUE; else out=FALSE; RegTxD=RegTxD/2; cont=0; TSC=64; /*Inicio el Timer*/ /* while (cont<2); TSC=48; /*Apago el Timer*/ /* */ /*ADC: En esta función se toma la muestra del pin de RxD y la guarda en el data */
144
void ADC (void) asm MOV #1,_ADSCR; ciclo:
BRCLR 7,_ADSCR,ciclo; /*Espera hasta que el dato sea
válido*/ MOV _ADR,data; MOV #31,_ADSCR; /*FRECUENCIA: Esta función calcula el valor de frecuencia que esta siendo recibida por el micrófono*/ void frecuencia(void)
/*Inicialización de Variables*/ unsigned char ref1=cero2; unsigned char ref2=0; subida_f=FALSE; saturado_f=FALSE; cont=0; frec=0; loop=TRUE; loop2=TRUE; while(loop)
/*Solo sale de este loop luego de calcular la frecuencia que se esta recibiendo*/
ADC(); /*En esta función se toma la muestra del pin de RxD y se guarda en el data*/
if(!(cero1<=data && data<=cero2)) /*Entra al proceso de adquisición de frecuencia si la señal de entrada
145
supera el umbral de ruido, de lo contrario sigue haciendo poling */
/*Proceso de adquisición de frecuencia*/
while(loop2)
ADC(); /*En esta función se toma la muestra del pin de RxD y se guarda en data*/
ref1=data; /*Se guarda el valor acutal de RxD en ref1*/ dpeque();
ADC(); /*En esta función se toma la muestra del pin de RxD y se guarda en data*/
ref2=data; /*Se guarda el valor acutal de RxD en ref2*/
if((ref2>ref1+2)||(ref1>max)) /*Se pregunta si la pendiente de la señal es positiva o si se encuentra saturada en la parte alta */
/*Pendiente Positiva*/
subida_f=TRUE; /*Esta bandera indica si se
tiene una pendiente positiva*/
if(ref1>max) /*Ingresa si la señal se
encuentra saturada*/ /*Esta bandera indica que la
señal esta saturada*/
saturado_f=TRUE;
146
min=ref1; /*Se guarda ref1 en el valor bajo de saturación*/
/*Ingresa al proceso de pendiente negativa si ya se detectó una
pendiente de subida y si la pendiente es negativa o si la señal
tiene un nivel de saturación bajo*/
else if (subida_f && ((ref2<ref1-1)||ref1<min-5))
/*Pendiente Negativa*/
/*Valida la pendiente negativa si la señal no estaba saturada o si estaba saturada que estuviera menor al nivel bajo de saturación */
if((!saturado_f)||(ref1<min-5)) min=0;
if(cont==0) /*Inicializa el contador que indica el periodo de la señal*/
TSC=64; else
/*Guarda el valor del contador en el registro
frec, el cual indica el periodo de la señal,
para luego salirse de la función*/ frec=cont;
147
TSC=48; loop=FALSE; loop2=FALSE; subida_f=FALSE; /*GUARDAR: Guarda datos en el registro de recepción*/ void guardar (byte temp) if(dato) RegRxD[temp]=RegRxD[temp]+32; RegRxD[temp]=RegRxD[temp]/2; /*DECODE: Esta función valida la frecuencia recibida, si esta no es válida prende una bandera de error*/ void decode (void) dato=FALSE; error=FALSE; if(frec>=f0min && frec<=f0max) /*Rango de frecuencias para un cero*/
148
dato=FALSE; else if(frec>=f1min && frec<=f1max) /*Rango de frecuencias para un uno*/ dato=TRUE; else /*Si la frecuencia no se encuentra en los rangos anteriores se prende
la bandera de error*/
error=TRUE; /*DELAY: Esta función permite tener un delay*/ void delay (void) unsigned int contdelay; contdelay=65350; for(contdelay;contdelay>0;contdelay--) /*DPEQUE: Esta función permite tener un delay*/ void dpeque (void) unsigned char contdelay; contdelay=2; for(contdelay;contdelay>0;contdelay--)
149
/*COMUNICACIÓN: Realiza la recepción de los datos*/ void comunicacion(void)
com_f=TRUE; /*Se prende la bandera que indica el incremento del contador utilizado en esta función por interrupciones*/
finRxD=0; while(!finRxD) /*Permanece en este loop hasta que la comunicación
haya sido exitosa*/
frecuencia(); /*En esta función calcula el valor de frecuencia que esta siendo recibido por el micrófono*/
decode(); /*Valida la frecuencia recibida*/ if (!error) /*Ingresa al proceso de recepción si la frecuencia
recibida no tiene error*/ /*Proceso de Recepción*/
cont=0; /*Se inicializa el contador */ TSC=64; /*Inicio el Timer*/ while (cont<10000); /*Se espera un tiempo de la mitad del
periodo (500 us) para así poder detectar
datos validos*/ TSC=48; /*Apago el Timer*/ error=TRUE; /*Esta bandera indica si hay error en la
frecuencia recibida*/ num_while=0; /*Este byte indica cuantas veces se repite
el proceso de recepción*/
150
while(error) /*Se mantiene en este loop hasta que la
frecuencia recibida sea válida*/
frecuencia(); /*En esta función calcula el valor de frecuencia que esta siendo recibido por el micrófono*/
decode(); /*Valida la frecuencia recibida*/ num_while++; if(num_while>10) /*Luego de repetir 10 veces el
proceso de adquisición y validación de la
frecuencia se cancela totalmente la recepción */
return; guardar(2); /*Guarda el dato recibido en el registro de recepción*/ if (!error) /*Ingresa si la frecuencia recibida es válida*/ cont_bit=14; /*Este contador se utiliza para enumerar
los bits restantes de la trama enviada*/
for(cont_bit;cont_bit>0;cont_bit--)
/*En este ciclo se reciben y guardan los bits de la trama enviada*/
/*Inicio el Timer*/ cont=0; TSC=64; while (cont<20000); /*Se espera un periodo para
151
muestrear los datos de llegada*/
TSC=48; /*Apago el Timer*/ error=TRUE; num_while=0; while(error)
/*Este loop se utiliza para repetir el proceso de adquisición y validación de frecuencia en caso de que esta no sea válida*/
frecuencia(); /*En esta función calcula el
valor de frecuencia que esta siendo
recibido por el micrófono*/
decode(); /*Valida la frecuencia recibida*/ num_while++; if(num_while>10) /*Si luego de repetir 10 veces el proceso de
adquisición y validación de frecuencia, esta no es
válida se cancela el proceso de recepción*/
return; /*Se guardan los bits decodificados en el registro de
recepción*/
if(cont_bit<=14 && cont_bit>=11)
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guardar(2); /*Lo guarda en distancia*/ else if(cont_bit<=10 && cont_bit>=6) guardar(1); /*Lo guarda en profundidad*/ else if(cont_bit<=5 && cont_bit>=1) guardar(0); /*Lo guarda en codigoinicio*/ /*Inicio el Timer*/ cont=0; TSC=64; while (cont<20000); /*Se espera un segundo para así
darle tiempo a que termine la emisión de sonido */
TSC=48;
finRxD=FALSE; If(Codinicio == 21) /*Valida el Código de Inicio*/ finRxD=TRUE; /*Esta bandera indica que la transmición
fue exitosa*/ /*void acelerometro(void) if(!Yout)
153
if((ton_f)&&(cont_acelerometro=0)) ton=cont_acelerometro; ton_f=FALSE; ready_f=TRUE; else ton_f=TRUE; else if(ton_f) cont_acelerometro++; /*while(!Yout); while(Yout); while(!Yout); ton=cont; cont=0; while(Yout); toff=cont; cont=0; TSC=48; if(toff-10<=ton && ton<=toff+10) out=FALSE; cont=0; while(cont<20000); TSC=48;*/ // /*PRESION: En esta función se toma la muestra del pin de Presion y la guarda en
p_actual */ void presion(void) asm
154
MOV #3,_ADSCR; ciclo_1: /*Toma el dato hasta que este sea válido*/ BRCLR 7,_ADSCR,ciclo_1; MOV _ADR,p_actual; MOV #31,_ADSCR; /*INTERRUPCIONES*/ interrupt 6 void timer_overflow(void) TSC_TOF=0; /* aqui bajo la bandera de overflow */ cont++; cont2++; __RESET_WATCHDOG(); /* END NEMO */ /* ** ################################################################### ** ** ** FIN DE PROGRAMA ** ** ################################################################### */
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