Diseño y construcción de un anillo de sensores infrarrojos con dispositivos de lógica programable (FPGAs) para el levantamiento de mapas de entorno y navegación de plataformas móviles
El trabajo descrito demuestra el diseño e implementación de un anillo de sensores infrarrojos como dispositivos medidores de distancia con arreglos de hardware reconfigurable FPGA, para la navegación de robots móviles en ambientes controlados. Se muestra una breve reseña sobre la arquitectura de rob...
- Autores:
-
Montoya Osorio , Alejandro
Valencia V, Jhonny Alejandro
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2009
- Institución:
- Universidad Tecnológica de Pereira
- Repositorio:
- Repositorio Institucional UTP
- Idioma:
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- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/11059/14674
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- Palabra clave:
- 620 - Ingeniería y operaciones afines::621 - Física aplicada
Plataformas móviles
Dispositivos de lógica programable
Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs)
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El trabajo descrito demuestra el diseño e implementación de un anillo de sensores infrarrojos como dispositivos medidores de distancia con arreglos de hardware reconfigurable FPGA, para la navegación de robots móviles en ambientes controlados. Se muestra una breve reseña sobre la arquitectura de robots móviles y la importancia de determinar una estructura de control para formular alternativas de navegación y construcción de mapas de entorno con la implementación de sensores que sirvan al sistema conocer la distancia que ha recorrido, su ubicación, y la distancia que existe entre el ambiente exterior y el sistema mismo, con la implementación de arreglos de hardware reconfigurable FPGAS, en este caso la tarjeta SPARTAN 3E de XILINX. Fusionar la información que entregan los distintos tipos de sensores al arreglo de hardware reconfigurable es uno de los temas a tratar, pues en cada tipo de sensor se usaron técnicas de adquisición de datos que van desde medición de ancho de pulso hasta protocolo de comunicación serial RS-232 e I2C, con el debido procesamiento de cada fuente de datos en el arreglo de hardware reconfigurable. |
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[1] Adams. M.D, “Sensor Modelling, Design and Data Processing for Autonomous Navigation.”, World Scientific Publishing, Series in Robotics and Intelligent Systems. Singapore, 1999. [2] Agre, Philip E. y Chapman David. “ What are plans for?”, Robotics and Autonomous Systems. No. 6 (1990); p. 17 – 34 [4] Akbarally, Huzefa y Kleeman, Lindsay. “A sonar sensor for accurate 3D target localisation and classification” IEEE International conference on robotics and automation. 1995 [3] IEEE Robotics and Automatization Soviet 2001 [5] Mataric, Maja. “A distributed model for mobile robot environment-learning and navigation.”Cambridge, MA, 1990. [6] Parker, L. “Current State of the Art in Dist Distributed Autonomous Mobile Robotic” ,Distributed Autonomous Robotic Systems. Tokyo. Vol 4, (2000); p. 3-12. [7] Yamasaki, H. ”Intelligent Sensing Technology.”, Journal of the Japan Society of Precision Engineering. Vol. 55, No. 9; 1989. [8] Everett, H.R. y Peters, A K. “ Sensors for Mobile Robots” , Wellesley, MA,1995. [9] Feng, L, Borenstein, J y Everett, H.R. “ Where am I? “ Sensors and methods for mobile robot positioning. Universidad de Michigan. 1996. [10] Adams. M.D. “Sensor Modelling, Design and Data Processing for Autonomous Navigation.” World Scientific Publishing , Series in Robotics and Intelligent Systems. Singapore. Vol. 13. 1999. [11] mcbtec.com. “Funcionamiento_Encoder” < www.mcbtec.com/Funcionamiento_Encoder.pdf >. [12] superrobotica.com, “ sensor brújula digital “< http://www.superrobotica.com/S320160.htm > [13] Borges, G, Nogueira, A y G. S. Deep, “Characterization of a Trajectory Recognition Optical Sensor for an Automated Guided Vehicle.”, IEEE Transactions on Instrumentation and measurement, Vol. 49, Nº. 4, pp. 813 – 819. 2000 [14] Malik R. y Yu H., “The Infrared Detector Ring: Obstacle Detection for an Autonomous Mobile Robot.” IEEE 35th Midwest Symposium on Circuit and Systems, 1992 [15] Flynn A., “Combining sonar and infrared sensors for mobile robot navigation.”, The International Journal of Robotics Research, Vol. 7, Nº. 6, pp. 5 – 14. 1988. [16] Sabatini A, Genovese V, Guglielmelli E, Mantuano A, Ratti G, y Dario P. “A low-cost, composite sensor array combining ultrasonic and infrared proximity sensors.”, Procedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 120 - 126. Pittsburgh, 1995. [17] Novotny P y Ferrier N, “ Using infrared sensors and the Phong illumination model to measure distances.” Procedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1644 – 1649. Detroit, 1999. [18] Blanes, F, “ Percepción y Representación del Entorno en Robótica Móvil.”, PhD. Tesis. Departamento de Informática de Sistemas y Computadores. Universidad Politécnica de Valencia. Valencia, España. Septiembre de 2000. [19] Aytaç T y Barshan, B, “Differentiation and localization of target primitives using infrared sensors.”, Procedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 105 - 110. Lausanne, Suiza Octubre 2002. [20] Aytaç T y Barshan, B, “ Rule-based target differentiation and position estimation based on infrared intensity measurements. “, Optical Engineering, vol.42, Nº.6, pp.1766-1771, June 2003. |
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Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)Manifiesto (Manifestamos) en este documento la voluntad de autorizar a la Biblioteca Jorge Roa Martínez de la Universidad Tecnológica de Pereira la publicación en el Repositorio institucional (http://biblioteca.utp.edu.co), la versión electrónica de la OBRA titulada: ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ La Universidad Tecnológica de Pereira, entidad académica sin ánimo de lucro, queda por lo tanto facultada para ejercer plenamente la autorización anteriormente descrita en su actividad ordinaria de investigación, docencia y publicación. La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 dehttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/http://purl.org/coar/access_right/c_abf2info:eu-repo/semantics/openAccessRios G, Luís HernandoMontoya Osorio , AlejandroValencia V, Jhonny Alejandro2023-05-17T21:12:51Z2023-05-17T21:12:51Z2009https://hdl.handle.net/11059/14674Universidad Tecnológica de PereiraRepositorio Institucional Universidad Tecnológica de Pereirahttps://repositorio.utp.edu.co/homeEl trabajo descrito demuestra el diseño e implementación de un anillo de sensores infrarrojos como dispositivos medidores de distancia con arreglos de hardware reconfigurable FPGA, para la navegación de robots móviles en ambientes controlados. Se muestra una breve reseña sobre la arquitectura de robots móviles y la importancia de determinar una estructura de control para formular alternativas de navegación y construcción de mapas de entorno con la implementación de sensores que sirvan al sistema conocer la distancia que ha recorrido, su ubicación, y la distancia que existe entre el ambiente exterior y el sistema mismo, con la implementación de arreglos de hardware reconfigurable FPGAS, en este caso la tarjeta SPARTAN 3E de XILINX. Fusionar la información que entregan los distintos tipos de sensores al arreglo de hardware reconfigurable es uno de los temas a tratar, pues en cada tipo de sensor se usaron técnicas de adquisición de datos que van desde medición de ancho de pulso hasta protocolo de comunicación serial RS-232 e I2C, con el debido procesamiento de cada fuente de datos en el arreglo de hardware reconfigurable.TABLA DE CONTENIDO PRELIMINARES 14 P.1. INTRODUCCIÓN 14 P.2. ESTADO DEL ARTE 15 P.2.1. ARQUITECTURA DE ROBOTS. 15 P.2.2. RETO DE LA NAVEGACIÓN AUTÓNOMA 16 P.2.3. LÍNEA DE ACCIÓN 19 P.3. OBJETIVOS 20 P.3.1. OBJETIVO GENERAL 20 P.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 20 P.4. MARCO REFERENCIAL 21 P.4.1. SENSORES 21 P.4.2. ARQUITECTURAS DE CONTROL EN ROBÓTICA MÓVIL. 37 P.4.3. TEORÍA DE ESQUEMAS 42 P.4.4. TIPOS DE PLATAFORMAS MÓVILES 42 P.4.5. MODELO DE CONTROL GUIADO DIFERENCIAL. 49 P.4.6. MAPAS DE ENTORNO 54 1. DESARROLLO DE PROYECTO 62 1.1. NAVEGACIÓN 63 1.1.1. MOTORES DC. 64 1.1.2. CONTROL DE MOTORES DC. 67 1.1.3. CONTROL DE DIRECCIÒN POR CORRECCIÒN DE VELOCIDAD 69 1.1.4. CONTROL DE SENTIDO DE GIRO DE PLATAFORMA MÒVIL. 69 1.1.5. CONTROL DE INERCIA DE FRENADO EN EL DESPLAZAMIENTO DE LA PLATAFORMA 70 1.1.6. ENCODERS 71 1.1.7. FUSIÓN MOTORES DC Y ENCODERS PARA PLATAFORMA MÓVIL 74 1.2. LOCALIZACIÓN 77 1.2.1. CONEXIÓN Y FUNCIONAMIENTO BRÚJULA DIGITAL. 77 1.2.2. CALIBRACIÓN DEL DISPOSITIVO. 78 1.2.3. IMPLEMENTACIÓN DE BRÚJULA DIGITAL CON INTERFAZ PARA TARJETA FPGA SPARTAN 3E DE XILINX 80 1.3. RECONOCIMIENTO DEL ENTORNO 82 1.3.1. MEDIDOR DE DISTANCIA DE LABORATORIO. 82 1.3.2. OPTIMIZAR MEDIDOR DE DISTANCIA DE LABORATORIO, IMPLEMENTANDO HARDWARE RECONFIGURABLE, FPGAS SPARTAN 3E DE XILINX. 90 1.3.3. PRUEBAS PARA CARACTERIZAR EL MEDIDOR DE DISTANCIA IMPLEMENTANDO HARDWARE RECONFIGURABLE FPGA TARJETA SPARTAN 3E DE XILINX. 110 1.3.4. MEDICIÓN DE DISTANCIA CON HARDWARE RECONFIGURABLE FPGA. 111 1.3.4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL BLOQUE DE PERCEPCIÓN SENSORIAL CON SENSORES INFRARROJOS. 115 1.3.5. FUSIÓN ANILLO DE SENSORES INFRARROJOS, MOTORES Y ENCODERS PARA LA NAVEGACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE MAPAS DE ENTORNO. 118 2. RESULTADOS. 122 2.1. RESULTADOS INICIALES. 122 7 2.1.1. RESULTADOS DE LA APLICACIÓN Y FUSIÓN DEL CONTROL DE MOTORES Y ENCODERS 123 2.1.2. RESULTADOS DE LA MEDICIÓN DEL RUMBO MAGNÉTICO CON BRÚJULA DIGITAL E IMPLEMETACIÒN DE CONTROL EN SPARTAN 3 128 2.1.3. RESULTADOS PRUEBA MEDICIÓN DE DISTANCIA CON ÁNGULO DE INCIDENCIA DE 0 GRADOS. 129 2.1.4. RESULTADOS PRUEBA CON VARIACIÓN EN ÁNGULO DE INCIDENCIA Y VARIACIÓN DE DISTANCIA 130 2.1.5. RESULTADOS ADQUISICIÒN DE SEÑAL, CONVERSIÓN ANALOGO A DIGITAL E INTERFAZ GRÀFICA CON PC. 131 2.1.6. RESULTADOS PRUEBAS PARA CARACTERIZAR EL MEDIDOR DE DISTANCIA IMPLEMENTANDO ARREGLOS DE LÒGICA PROGRAMABLE FPGA SPARTAN 3E DE XILINX. 132 2.1.7. RESULTADOS MEDICIÓN DE DISTANCIA CON INFRARROJOS Y HARDWARE RECONFIGURABLE. CUANTIFICIÓN DEL ERROR DE MEDIDA. 134 2.1.8. RESULTADOS ESTRUCTURA FÍSICA DE SOPORTE PARA SENSORES INFRARROJOS. 136 2.1.9. RESULTADOS ELECTRÓNICA Y ACONDICIONAMIENTO DE LOS SENSORES INFRARROJOS AL SOPORTE FÍSICO EN ANILLO. 137 2.2. RESULTADOS FINALES. 139 3. TRABAJO FUTURO 142 3.1. MEDICIÓN DE DISTANCIAS CON SENSORES INFRARROJOS. 142 3.2. AMBIENTES NO CONTROLADOS. 142 3.3. NAVEGACIÓN AUTÓNOMA 143 4. DISCUSIÓN 144 4.1 MARCO UTP. 144 4.2. MARCO SENSORIAL 145 CONCLUSIONES 146 BIBLIOGRAFÍA 147 ANEXOS 151PregradoIngeniero(a) Electricista175 Páginasapplication/pdfspaUniversidad Tecnológica de PereiraIngeniería EléctricaFacultad de IngenieríasPereira620 - Ingeniería y operaciones afines::621 - Física aplicadaPlataformas móvilesDispositivos de lógica programableField-Programmable Gate Arrays (FPGAs)Diseño y construcción de un anillo de sensores infrarrojos con dispositivos de lógica programable (FPGAs) para el levantamiento de mapas de entorno y navegación de plataformas móvilesTrabajo de grado - Pregradoinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis[1] Adams. M.D, “Sensor Modelling, Design and Data Processing for Autonomous Navigation.”, World Scientific Publishing, Series in Robotics and Intelligent Systems. Singapore, 1999.[2] Agre, Philip E. y Chapman David. “ What are plans for?”, Robotics and Autonomous Systems. No. 6 (1990); p. 17 – 34[4] Akbarally, Huzefa y Kleeman, Lindsay. “A sonar sensor for accurate 3D target localisation and classification” IEEE International conference on robotics and automation. 1995[3] IEEE Robotics and Automatization Soviet 2001[5] Mataric, Maja. “A distributed model for mobile robot environment-learning and navigation.”Cambridge, MA, 1990.[6] Parker, L. “Current State of the Art in Dist Distributed Autonomous Mobile Robotic” ,Distributed Autonomous Robotic Systems. Tokyo. Vol 4, (2000); p. 3-12.[7] Yamasaki, H. ”Intelligent Sensing Technology.”, Journal of the Japan Society of Precision Engineering. Vol. 55, No. 9; 1989.[8] Everett, H.R. y Peters, A K. “ Sensors for Mobile Robots” , Wellesley, MA,1995.[9] Feng, L, Borenstein, J y Everett, H.R. “ Where am I? “ Sensors and methods for mobile robot positioning. Universidad de Michigan. 1996.[10] Adams. M.D. “Sensor Modelling, Design and Data Processing for Autonomous Navigation.” World Scientific Publishing , Series in Robotics and Intelligent Systems. Singapore. Vol. 13. 1999.[11] mcbtec.com. “Funcionamiento_Encoder” < www.mcbtec.com/Funcionamiento_Encoder.pdf >.[12] superrobotica.com, “ sensor brújula digital “< http://www.superrobotica.com/S320160.htm >[13] Borges, G, Nogueira, A y G. S. Deep, “Characterization of a Trajectory Recognition Optical Sensor for an Automated Guided Vehicle.”, IEEE Transactions on Instrumentation and measurement, Vol. 49, Nº. 4, pp. 813 – 819. 2000[14] Malik R. y Yu H., “The Infrared Detector Ring: Obstacle Detection for an Autonomous Mobile Robot.” IEEE 35th Midwest Symposium on Circuit and Systems, 1992[15] Flynn A., “Combining sonar and infrared sensors for mobile robot navigation.”, The International Journal of Robotics Research, Vol. 7, Nº. 6, pp. 5 – 14. 1988.[16] Sabatini A, Genovese V, Guglielmelli E, Mantuano A, Ratti G, y Dario P. “A low-cost, composite sensor array combining ultrasonic and infrared proximity sensors.”, Procedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 120 - 126. Pittsburgh, 1995.[17] Novotny P y Ferrier N, “ Using infrared sensors and the Phong illumination model to measure distances.” Procedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1644 – 1649. Detroit, 1999.[18] Blanes, F, “ Percepción y Representación del Entorno en Robótica Móvil.”, PhD. Tesis. Departamento de Informática de Sistemas y Computadores. Universidad Politécnica de Valencia. Valencia, España. Septiembre de 2000.[19] Aytaç T y Barshan, B, “Differentiation and localization of target primitives using infrared sensors.”, Procedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 105 - 110. Lausanne, Suiza Octubre 2002.[20] Aytaç T y Barshan, B, “ Rule-based target differentiation and position estimation based on infrared intensity measurements. “, Optical Engineering, vol.42, Nº.6, pp.1766-1771, June 2003.PublicationORIGINALTrabajo de Grado.pdfTrabajo de Grado.pdfapplication/pdf3425818https://dspace7-utp.metabuscador.org/bitstreams/02051765-1828-4600-8bc9-7e2eed5af575/downloaddd59a973440944eb3a77a3d61a7c4a9bMD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-814828https://dspace7-utp.metabuscador.org/bitstreams/9690178b-f3da-4e76-8e1d-d2de96ac6726/download2f9959eaf5b71fae44bbf9ec84150c7aMD52TEXTTrabajo de Grado.pdf.txtTrabajo de Grado.pdf.txtExtracted texttext/plain247660https://dspace7-utp.metabuscador.org/bitstreams/9bbffe8b-f855-4b52-89e4-1cb962642cf7/download86e741ff9525407c6a059f165fabe75eMD53THUMBNAILTrabajo de Grado.pdf.jpgTrabajo de Grado.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg7284https://dspace7-utp.metabuscador.org/bitstreams/5c647a67-abe5-4889-a09a-46440457f1da/download2f939abac6eb77bf522ca0c087c861a9MD5411059/14674oai:dspace7-utp.metabuscador.org:11059/146742024-09-05 16:57:54.9https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Manifiesto (Manifestamos) en este documento la voluntad de autorizar a la Biblioteca Jorge Roa Martínez de la Universidad Tecnológica de Pereira la publicación en el Repositorio institucional (http://biblioteca.utp.edu.co), la versión electrónica de la OBRA titulada: ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ La Universidad Tecnológica de Pereira, entidad académica sin ánimo de lucro, queda por lo tanto facultada para ejercer plenamente la autorización anteriormente descrita en su actividad ordinaria de investigación, docencia y publicación. La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 deopen.accesshttps://dspace7-utp.metabuscador.orgRepositorio de la Universidad Tecnológica de 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