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Instituto Politecnico Nacional

Escuela Superior de Ingenierıa Mecanica y Electrica

Ingenierıa en Control y Automatizacion

Automatizacion de un prototipo de una podadora electrica conuna Red Neuronal de Hopfield

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACION

P R E S E N T A

Esmeralda Ivonne Munoz Lopez

Mexico D.F. 2010

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERiA MECA.NICA Y ELECTRICA

UNlOAD PROFESIONAL "ADOLFO LOPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACION

POR LA OPCION DE TITULACION TESIS Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL

DEBERA(N)DESARROLLAR c.. ESMERALDA IVONNE MuNoz LOPEZ

"AUTOMATIZACION DE UN PROTOTIPO DE UNA PODADORA ELECTRICA CON UNA RED NEURONAL DE HOPFIELD."

EL OBJETIVO DE ESTE TEMA ES DISENAR CONSTRUIR Y AUTOMATIZAR UN PROTOTIPO DE PODADORA ELECTRICA, USANDO COMO MEDIO DE CONTROL LA RED NEURONAL DE HOPFIELD.

• DISENO Y CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO MECANICO, SISTEMA ELECTRICO Y SISTEMA DE CONTROL DE UNA PODADORA.

MEXICO D.F., 27 DE MAYO 2010.

ASESORES

,p~ M. EN C. FELIX~ADAGuzMAN. ING. FRANCISC Jp,..;l<.L.y.nAPARICIO SILVA.

ING. JOSE ANGEL MEJiA DOMINGUEZ JEFE DEL DEPARTAMENTO ACADEMICO

DE INGENIERlA EN CONTROL Y AUTOMATIZACION

Indice general

Objetivo VII

Justificacion VIII

Introduccion IX

1. Marco Teorico 11.1. Automatizacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.1. Definicion de automatizacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.2. Argumentos sobre la automatizacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2. Sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.1. Subsistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.2. Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3. Sistema mecanico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3.1. Mecanismos para la transformacion de movimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3.2. Otros mecanismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4. Sistema electrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4.1. Motores electricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4.2. Motorreductores de corriente continua (C.C.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4.3. Factor de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5. Sistema de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.5.1. Sensores Capacitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5.2. Optoacopladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.5.3. Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5.4. Redes Neuronales Biologicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.5.5. Redes Neuronales Artificiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.6. Definicion de robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.6.1. Arquitectura de los robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.7. Prototipo de una Podadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.7.1. Actividades generales de un prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2. Construccion del prototipo de una podadora 172.1. Parametros de diseno del prototipo de una podadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.1.1. Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.1.2. Modulo o Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.1.3. Fuerza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2. Sistema de transmision del prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.1. Soporte mecanico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.2. Chumaceras cuadruples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.3. Engranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.4. Piezas gemelas para el acoplamiento del eje y las llantas de traccion . . . . . . . . . . 212.2.5. Piezas gemelas para el acoplamiento de los engranes a las llantas de traccion . . . . . 212.2.6. Ejes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

ii

Automatizacion de un prototipo de una podadora electrica con una Red Neuronal deHofield iii

2.2.7. Soportes de una podadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.2.8. Soporte de direccionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3. Prototipo de una podadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.4. Sistema electrico en el prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.4.1. Motorreductores de corriente continua (C.C.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.4.2. Bateria de corriente continua (C.C.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.5. Control electronico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.5.1. Control de un motor electrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.5.2. Convertidor analogico-digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.5.3. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3. Programa de control 333.1. Redes Neuronales Artificiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.1.1. Estructura Jerarquica de un sistema basado en Redes Neuronales Artificiales y suselementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.1.2. Funcion de activacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2. Red Neuronal de Hopfield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.1. Ponderales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.2.2. Umbral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.3. Programacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.3.1. Entradas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.3.2. Salidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4. Resultados 404.1. Pruebas mecanicas y electricas del prototipo de podadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.1.1. Pruebas del Control de Levas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.2. Pruebas de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3. Pruebas de la Red Neuronal de Hopfield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5. Conclusiones 47

Bibliografıa 48

Ing. en Control y Automatizacion Instituto Politecnico Nacional 2010

Indice de figuras

1.1. Partes de los motorreductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2. Principio de operacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3. Circuito tıpico con optoacoplador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4. Sımbolo general del optotransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5. Estructura de una neurona biologica tıpica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.6. Estructura jerarquica de un sistema basado en Redes Neuronales Artificiales . . . . . . . . . . 131.7. Capas de una red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.8. Actividades generales de un prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1. Llantas con balero-vista superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2. Chumaceras de pared - vista superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3. Engrane de diametro mayor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.4. Engrane de diametro menor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.5. Placas de sujecion con pieza de union . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.6. Dimensiones de engrane menor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.7. Dimensiones de engrane mayor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.8. Dimensiones del eje de apoyo de la llanta de traccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.9. Barra de aluminio torneada y perforada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.10. Piezas aclopadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.11. Eje de apoyo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.12. Soportes de las llantas de traccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.13. Soporte de la llanta de direccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.14. Partes del prototipo de una podadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.15. Medidas finales del prototipo de una podadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.16. Motorreductor izquierdo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.17. Motorreductor derecho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.18. Baterıa de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.19. Circuito de arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.20. Histeresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.21. Repetibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.22. Frecuencia de conmutacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.23. Constante Dielectrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.24. Dimensiones del sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.25. Circuito de conexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.1. Representa el potencial postsinaptico y el estado de activacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2. Arquitectura de la red biologica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.1. Diagrama de conexion del control de levas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.2. Grafica-Control de Levas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3. Grafica de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.4. Bascula para pesar el prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.5. Conexiones al protoboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

iv

Automatizacion de un prototipo de una podadora electrica con una Red Neuronal deHofield v

4.6. Conexiones en el microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.7. Comprobacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46


Indice de cuadros

1.1. Tabla de transmision de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2. Mecanismos que controlan movimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3. Tabla de Constantes Dielectricas (D.C.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.1. Tabla de resultados-control de levas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.2. Tabla de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3. Tabla de velocidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

vi

Objetivo

Objetivo principal

Automatizar el prototipo de una podadora electrica por medio de una Red Neuronal de Hopfield paradisminuir el esfuerzo humano que requiere el podar un pasto.

Objetivos secundarios

- Construir un sistema motriz por medio de una caja reductora y motores de corriente continua paralograr que el prototipo se desplace.

- Disenar un sistema electronico que contenga un micro controlador y los sensores necesarios para adquiririnformacion del area de trabajo.

- Controlar el prototipo por medio de una Red Neuronal de Hopfield con el fin de que actue de formaautonoma.

vii

Justificacion

Este trabajo se justifica como una aportacion tecnologica basada en un estudio bibliograficosobre el control por medio de redes neuronales, Hopfield.

viii

Introduccion

Este proyecto se basa en un estudio bibliografico (capıtulo 1)sobre las Redes Neuronales de Hopfield, conla aplicacion de esta tecnologıa se disena y construye un prototipo de podadora electrica, (capıtulo 2), laprogramacion de control se realiza en el capıtulo 3 y pasando a los resultados que se muestran en el capıtulo4 y concluyendo en la capıtulo 5.

ix

1

Marco Teorico

En este capıtulo se desarrollan los conceptos basicos para el diseno y construccion delprototipo de una podadora donde se implementara el control de redes neuronales, Hopfield.

1

Automatizacion de un prototipo de una podadora electrica con una Red Neuronal deHofield 2

1.1. Automatizacion

De acuerdo a Merriam Webster 2 define que la automatizacion es la operacion automatica y contro-lada de un sistema mediante dispositivos mecanicos o electronicos que trabajan en conjuntopara realizar un esfuerzo y ası conseguir una toma de decisiones, mientras que DIN 19 233 3

define la automatizacion como el empleo de medios artificiales, de tal forma que en un procesotranscurran de forma automatica, en tanto Francisco Armando Duenas Rodrıguez 4 deduce que laautomatizacion es describir sistemas no destinados a la fabricacion en los que dispositivos pro-gramados o automaticos pueden funcionar de forma independiente o semiindependiente delcontrol humano, en forma mas detallada D. M. J. Hams y Mc Cloy 5 describe la automatizacion como eldesempeno de operaciones automaticas dirigidas por medio de comandos programados con unamedicion automatica de la accion, retroalimentacion y toma de decisiones, referente a los sistemasde manufactura D. M. J. Hams y Mc Cloy 5 define que la automatizacion es la tecnologıa que trata dela aplicacion de sistemas mecanicos, electronicos y de bases computacionales para operar ycontrolar la produccion.

1.1.1. Definicion de automatizacion

De acuerdo a las definiciones vistas anteriormente se puede concluir que la automatizacion es:

La manipulacion de dispositivos mecanicos o electronicos, en funcion del tiempopor ejemplo, que se operan por medio de comandos programados con una ciertaprecision, tal que el sistema opere de forma automatica con un proposito predefinido.

1.1.2. Argumentos sobre la automatizacion

A favor

La siguiente lista nos muestra los argumentos a favor de la automatizacion, los cuales destacan el porque esfavorable implementar la automatizacion en una maquina como lo es la podadora, sifunpro.tripod .com 6 .

- La automatizacion brinda condiciones de trabajo mas seguras para el trabajador.

- La automatizacion refleja sus resultados en precios mas bajos y en mejores productos.

- La automatizacion es el unico significado para incrementar el nivel de vida.

En contra

Los siguientes puntos, indican los argumentos en contra de implementar la automatizacion, sifunpro.tripod.com 6 .

- La automatizacion resultara en la dominacion o sometimiento del ser humano por la maquina.

- La automatizacion provoca una reduccion en la fuerza laboral, con el resultante desempleo.

- La automatizacion reducira el poder de compra.



1.2. Sistemas

Dado que un sistema es un grupo de elementos o componentes interdependientes que puedenser identificados y tratados como conjunto, en el se pueden identificar entradas, salidas y procesos,entre los cuales se establecen relaciones de intercambio entre energıa y materia, www.educarchile.cl 10 .

Existen muchos tipos de sistemas por ejemplo mecanicos, biologicos, electricos, humanos, astronomicos,neumaticos, tecnologicos, para medir el tiempo, para medir la velocidad, para medir el peso, para medir lacantidad de agua caıda, entre otros parametros.

1.2.1. Subsistema

Un subsistema es un subconjunto de elementos de un sistema segun el criterio con el que seclasifique o se pida que se haga la separacion, www.educarchile.cl 10 .

Por lo que podemos decir que la podadora automatica funciona gracias a un sistema electro-mecanico,puesto que cuenta con dos de sus subsistemas que serıan el sistema mecanico y el sistema electrico. Enconsecuencia, podemos decir que esta conformado por subsistemas, ya que no solo es el mecanico y electricosino que cuenta con un sistema de control y automatizacion.

1.2.2. Componentes

El elemento que compone o integra un sistema o subsistema es llamado componente.

Cada componente cumple una funcion especıfica dentro de un sistema, es decir, si falla un componentedentro del sistema, se tiene que sustituir o arreglar para que este continue funcionando.

Por ejemplo se puede decir que el boton de encendido de la podadora serıa uno de sus componenteselectricos, ası como tambien lo es el generador, motor electrico, conductor y los elementos protectores. Ademastenemos los componentes mecanicos, de control y automaticos, www.educarchile.cl 10 .

1.3. Sistema mecanico

Cuando aparecieron las primeras maquinas todas se basaban en este tipo de sistema, y se utilizaba laenergıa de los musculos de los seres humanos para moverlas. Luego fueron apareciendo otras formas de energıaque ayudaron a generar movimiento para que operaran estos mecanismos como la energıa electrica. Un sistemamecanico es un conjunto de elementos dinamicamente relacionados, que permiten producir, transmitir, regularo modificar movimiento. Cada operador cumple una funcion especıfica dentro del sistema,www.educarchile.cl10 .

Toda maquina compuesta es una combinacion de mecanismos; y un mecanismo es una combinacion deoperaciones cuya funcion es producir, transformar o controlar un movimiento.

Los mecanismos se construyen encadenando varios operadores mecanicos entre sı, de tal forma que lasalida de uno se convierte en la entrada del siguiente, www.iesmarenostrum.com 11 .

1.3.1. Mecanismos para la transformacion de movimientos

Para disenar el mecanismos se necesita conocer el movimiento que tenemos (movimiento de entrada)y el que queremos (movimiento de salida) para despues elegir la combinacion de operadores (mecanis-mo) mas adecuada. En la tabla 1.1, se muestra una clasificacion util para el desarrollo de este proyecto,www.iesmarenostrum.com 11 .



Transmision de potenciamov. de entrada mov. de salida mecanismos que se emplean

Giratorio Giratorio Ruedas de friccionGiratorio Giratorio Transmision por correa (Polea correa)Giratorio Giratorio Transmision por cadena (Cadena-pinon)Giratorio Giratorio Rueda dentada - linternaGiratorio Giratorio EngranajesGiratorio Giratorio Sinfın - pinonGiratorio Oscilante Leva-palancaGiratorio Oscilante Excentrica - biela - palancaGiratorio Lineal Alternativo Ciguenal - bielaGiratorio Lineal Alternativo Excentrica - biela - embolo (biela- manivela)Giratorio Lineal Alternativo Leva - emboloGiratorio Lineal continuo Cremallera - pinonGiratorio Lineal continuo Tornillo tuercaGiratorio Lineal continuo Torno - cuerdaOscilante Giratorio Excentrica - biela - palancaOscilante Lineal Alternativo Sistema de palanca

Lineal continuo Giratorio Cremallera - Pinon o Cadena - PinonLineal continuo Giratorio Aparejos de poleasLineal continuo Giratorio RuedaLineal continuo Giratorio Torno

Lineal alternativo Giratorio Alternativo Cremallera - PinonLineal alternativo Giratorio Continuo Biela - manivela (excentrica - biela; ciguenal - biela)Lineal alternativo Lineal Alternativo Sistema de palancas

Cuadro 1.1: Tabla de transmision de potencia

1.3.2. Otros mecanismos

Ademas de lo anterior, para nuestro proyecto mecanico necesitamos hacer uso de otros mecanismos queno se dedican a transformar movimientos, sino mas bien a controlarlos o facilitarlos. Algunos de los mas utilesson, tabla 1.2, www.iesmarenostrum.com 11 :

Mecanismo/operador Utilidad practicaCable o cuerda Transmitir fuerzas entre dos puntos variando la direccion de estas

Cuna Evita el movimiento de objetos rodantes. Multiplica la fuerzaGatillo Permite liberar una energıa facilmentePalanca Permite mover masas mas facilmente

Polea fija de cable Reduce el rozamiento en los cambios de direccion de una cuerdaPolipasto Permite mover masas mas facilmenteRampa Guıa el desplazamiento de objetos rodantes

Tren de rodadura Facilita el desplazamiento de objetos sobre una superficieTrinque Evita que un eje gire en un sentido no deseado

Cuadro 1.2: Mecanismos que controlan movimientos



1.4. Sistema electrico

Un sistema electrico es un conjunto de elementos dinamicamente relacionados, que permitengenerar, conducir y recibir corriente electrica. Dependiendo de como esten dispuestos los elementosdentro del o los circuitos, las fallas o danos causados seran variables, www.educarchile.cl 10 .

1.4.1. Motores electricos

Un motor electrico se considera una maquina que convierte energıa en movimiento o trabajomecanico, Shrader 13 . La energıa se suministra en forma de combustible quımico, como gasoleo o gasolina,vapor de agua o electricidad, y el trabajo mecanico que proporciona suele ser el movimiento rotatorio de unarbol o eje.

Un motor electrico se compone basicamente de dos partes una movil giratoria conocida como armaduray otra fija conocida como estator, Shrader 13 . Estas dos partes son concentricas entre sı de modo que laarmadura esta montada sobre un flecha, la cual se apoya en el interior del estator sobre un juego de ro-damientos o chumaceras colocadas en las etapas de ambos extremos de dicho estator, para que pueda girarcon el mınimo coeficiente de friccion.

Existen 2 tipos principales: Los de corriente alterna (C.A.) o los de corriente continua (C.C.). A losmotores de corriente alterna tambien se les conoce como motores de induccion. A los motores que operancon energıa alterna y continua se les conoce como motores sıncronos. Los motores de corriente continua soninsuperables para aplicaciones en las que debe ajustarse la velocidad, ası como para aplicaciones en las querequiere un par grande, Shrader 13 .

1.4.2. Motorreductores de corriente continua (C.C.)

Los Motorreductores son los elementos mecanicos adecuados para el accionamiento de la podadora, dondese necesita reducir la velocidad de una forma eficiente, constante y segura.

Caracterıstias generales de los motorreductores

Las caracterısticas presentadas en la siguiente lista son las mas generales de los motorreductores, GustavoGill 14 .

1. Rendimiento: es el cociente entre la potencia util que generan y la potencia absorbida.

2. Velocidad de giro o velocidad nominal : es la velocidad angular del ciguenal, es decir, el numero deradianes por segundo (rad/s) a las que gira.

3. Potencia: es el trabajo que el motor es capaz de realizar en la unidad de tiempo a una determinadavelocidad de giro. Se mide normalmente en caballos de vapor (CV), siendo 1 CV igual a 736 vatios.

4. Par motor : es el momento de rotacion que actua sobre el eje del motor y determina su giro. Se mideen kilogrametros (kgm) o Newtons-metro (Nm), siendo 1 kgm igual a 9,8 Nm.

Ventajas de usar motorreductores

Al emplear Motorreductores se obtiene una serie de beneficios sobre las formas de reduccion. Algunos deestos beneficios son, www.solomantenimiento.com 19 :

- Una regularidad perfecta tanto en la velocidad como en la potencia transmitida.

- Una mayor eficiencia en la transmision de la potencia suministrada por el motor.

- Mayor seguridad en la transmision, reduciendo los costos en el mantenimiento.



- Menor espacio requerido y mayor rigidez en el montaje.

- Menor tiempo requerido para su instalacion.

Desventajas de usar motorreductores

Las desventajas de usar motorreductores se muestran en la siguiente lista,19:

- Potencia, en HP, de entrada y de salida.

- Velocidad, en rpm, de entrada y de salida.

- Par (o torque), en kg/m, a la salida del mismo.

Principio de funcionamiento de los motorreductores

Los motorreductores se suministran normalmente acoplando a la unidad reductora un motor electriconormalizado asincronico tipo jaula de ardilla, totalmente cerrado y refrigerado por ventilador.

Para proteger electricamente el motor es indispensable colocar en la instalacion de todo Motorreductor unguarda motor que limite la intensidad y un rele termico de sobrecarga. Los valores de las corrientes nominalesestan grabados en las placas de identificacion del motor, figura 1.1, www.solomantenimiento.com 19 .

Figura 1.1: Partes de los motorreductores

1.4.3. Factor de Potencia

El factor de potencia se define como el cociente de la relacion de la potencia activa entre la potenciaaparente, ec. 1.1:

FP =P

S(1.1)

Donde:

FP , Factor de Potencia.

P , Potencia Efectiva, [Watts].

S , Potenica Aparente, [VA].



Comunmente, el factor de potencia es un termino utilizado para describir la cantidad de energıa electricaque se ha convertido en trabajo. Por lo cual, el valor ideal del factor de potencia es 1, esto indica que toda laenergıa consumida por los aparatos ha sido transformada en trabajo. Por el contrario, un factor de potenciamenor a la unidad significa un mayor consumo de energıa necesaria para producir un trabajo util.

Tipos de Potencia

Potencia Efectiva o Real, Watts, P : es la que en el proceso de transformacion de la energıa electrica seaprovecha como trabajo.

Potencia Reactiva, VAR, Q : es la encargada de generar el campo magnetico que requieren para sufuncionamiento los equipos inductivos como los motores y transformadores.

Potencia Aparente, VA, S : es la suma geometrica de las potencias efectiva y reactiva, es decir, ec. 1.2:

S =√P 2 +Q2 (1.2)

Donde:

S , Potenica Aparente, [VA].

P , Potencia Efectiva, [Watts].

Q , Potenica Reactiva, [VAR].

1.5. Sistema de control

El sistema en control se considera una caja negra debido a que en realidad no es importante que tengadentro, sino la relacion entre la salida y la entrada. Este sistema es de control si la salida se controla de modoque pueda adoptar un valor o cambio en particular de alguna manera definida.

En terminos generales, un sistema de control es aquel en el que la salida del sistema se controla para tenerun valor especıfico o cambiarlo, segun lo determina la entrada al sistema, gama.fime.uanl.mx 17 .

Los sistemas de control deben conseguir los siguientes objetivos, W. Bolton 18 :

- Ser estables y robustos frente a perturbaciones y errores en los modelos.

- Ser eficiente segun un criterio preestablecido evitando comportamientos bruscos e irreales.

Los elementos basicos que forman parte de un sistema de control y permiten su manipulacion son lossiguientes, upcommons.upc.edu 20 :

1. Sensores: Permiten conocer los valores de las variables medidas del sistema.

2. Controlador : Utilizando los valores determinados por los sensores y la consigna impuesta, calcula laaccion que debe aplicarse para modificar las variables de control en base a cierta estrategia.

3. Actuador : Es el mecanismo que ejecuta la accion calculada por el controlador y que modifica las variablesde control.



Los principales tipos de sistemas de control son, W. Bolton. 21 :

1. ON/OFF : En este sistema el controlador enciende o apaga la entrada y es utilizado, por ejemplo,en el alumbrado publico, ya que este se enciende cuando la luz ambiental es mas baja que un nivelpredeterminado de luminosidad.

2. Proporcional (P): En este sistema la amplitud de la senal de entrada al sistema afecta directamente lasalida, ya no es solamente un nivel prefijado sino toda la gama de niveles de entrada. Algunos sistemasautomaticos de iluminacion utilizan un sistema P para determinar con que intensidad encender lamparasdependiendo directamente de la luminosidad ambiental.

3. Proporcional derivativo (PD): En este sistema, la velocidad de cambio de la senal de entrada se utilizapara determinar el factor de amplificacion, calculando la derivada de la senal.

4. Proporcional integral (PI): Este sistema es similar al anterior, solo que la senal se integra en vez dederivarse.

5. Proporcional integral derivativo (PID): Este sistema combina los dos tipos anteriores.

6. Redes neuronales: Este sistema modela el proceso de aprendizaje del cerebro humano para aprender acontrolar la senal de salida.

Para la podadora automatica se considero un control de Redes neuronales, puesto que es preciso y seguro.Acontinuacion se dara una breve descripcion de los componentes, ası como del tipo de control que se empleaen la podadora.

1.5.1. Sensores Capacitivos

Una podadora debe poseer sensores que le permitan saber donde esta, como es el lugar en el que esta,a que condiciones fısicas se enfrenta, donde estan los objetos con los que debe interactuar, sus parametrosfısicos, etc.

Existe una amplia variedad de dispositivos disenados para percibir la informacion externa de una magnitudfısica y transformarla en un valor electronico que sea posible introducir al circuito de control, de modo queel robot sea capaz de cuantificarla y reaccionar en consecuencia.

Un sensor consta de algun elemento sensible a una magnitud fısica, como por ejemplo la intensidad ocolor de la luz, temperatura, presion, magnetismo, humedad y debe ser capaz, por su propias caracterısticas,o por medio de dispositivos intermedios de transformar esa magnitud fısica en un cambio electrico que sepueda alimentar en un circuito que la utilice directamente, o sino en una etapa previa que la condicione(amplificando, filtrando, etc.), para que finalmente la pueda utilizar para el control del robot.

En general, un sensor es un dispositivo disenado para percibir informacion externa de unamagnitud fısica y transformarla en un valor electronico que sea posible introducir al circuitode control, de modo que el robot sea capaz de cuantificarla y reaccionar en consecuencia y unsensor inductivo es un componente pasivo de un circuito electrico que, debido al fenomeno dela autoinduccion, almacena energıa en forma de campo magnetico. Los sensores de proximidadcapacitivos son similares a los inductivos. La principal diferencia entre los dos tipos es que lossensores capacitivos producen un campo electrostatico en lugar de un campo electromagnetico.



Los sensores tienen caracterısticas muy particulares que los distinguen de otros componentes, estas son:

1. Distancia nominal.

2. Distancia efectiva de deteccion.

3. Histeresis.

4. Repetibilidad.

5. Frecuencia de conmutacion.

6. Tiempo de respuesta.

En el capıtulo 2 se describiran mas a detalle.

Funcionamiento

Los sensores de proximidad capacitivos constan de una sonda que se encuentra situada en la cara posterioren donde se encuentra colocada una placa condensadora, y al aplicar una corriente al sensor por mas mınimaque sea, se produce una especie de campo electrostatico cuya reaccion se produce frente a los cambios de lacapacitancia provocados por la presencia de un objeto cualquiera.

Principio de operacion

La superficie de sensado del sensor capacitivo esta formada por dos electrodos concentricos de metal deun capacitor.

Cuando un objetivo se aproxima a la superficie de sensado y este entra al campo electrostatico de loselectrodos, cambia la capacitancia en un circuito oscilador.

Esto hace que el oscilador empiece a oscilar. El circuito disparador lee la amplitud del oscilador y cuandoalcanza un nivel especıfico la etapa de salida del sensor cambia.

Conforme el objetivo se aleja del sensor la amplitud del oscilador decrese, conmutando al sensor a suestado original, figura 1.2.

Figura 1.2: Principio de operacion

Constante dielectrica

Los sensores capacitivos dependen de la constante dielectrica del objetivo. Mientras mas grande es laconstante dielectrica de un material es mas facil de detectar, tabla 1.3.



Material D.C. Material D.C.Alcohol 25.8 Polyamide 5Araldite 3.6 Polyethylene 2.3Bakelita 3.6 Polyproplene 2.3Vidrio 5 Polystyrene 3Mica 6 Polyvivyl Chloride 2.9

Hule duro 4 Porcelana 4.4Laminado de papel 4.5 Tablaprensada 4

Madera 2.7 Vidrio sılica 3.7Aire, Vacio 1 Hule silicon 2.8

Marmol 8 Teflon 2Papel con aceite 4 Arena sılica 4.5

Papel 2.3 Transforme Oil 2.2Parafina 2.2 Agua 80Petroleo 2.2 Hule suave 2.5

Cuadro 1.3: Tabla de Constantes Dielectricas (D.C.)

Ventajas de los sensores capacitivos

Las ventajas mas relevantes de estos sensores son:

- Pueden detectar materiales conductores y materiales no conductores, ası como lıquidos y solidos.

- Disponen de muchas configuraciones de montaje.

- Pueden ver a traves de algunos materiales.

- Tienen una vida util bastante larga.

Desventajas de los sensores capacitivos

Las desventajas mas prominentes de los sensores capacitivos son:

- Tienen una distancia de deteccion corta que varıa segun el material que deba detectar.

- Son sensibles a factores del medio ambiente.

1.5.2. Optoacopladores

Ademas de los sensores existen otros dispositivos que ayudan al control los optoaclopadores, solo que estosayudan directo al control de los motores. Los optoacopladores basan su funcionamiento en el empleo de unhaz de radiacion luminosa para pasar senales de un circuito a otro sin conexion electrica. Estos son muyutiles cuando se utilizan por ejemplo, Microcontroladores, PICs y/o PICAXE si queremos proteger nuestromicrocontrolador este dispositivo es una buena opcion. En general pueden sustituir los reles ya que tienenuna velocidad de conmutacion mayor, ası como, la ausencia de rebotes, figura 1.3, http://www.scribd.com23 .

Funcionamiento

En la figura 1.3 del lado derecho se muestra un optoacoplador 4N35 formado por un LED y un fototransis-tor. La tension de la fuente de la izquierda y la resistencia en serie establecen una corriente en el LED emisorcuando se cierra el interruptor S1. Si dicha corriente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobreel fototransistor lo saturara, generando una corriente en R2. De este modo la tension de salida sera igual acero con S1 cerrado y a V2 con S1 abierto.



Figura 1.3: Circuito tıpico con optoacoplador

Si la tension de entrada varıa, la cantidad de luz tambien lo hara, lo que significa que la tension de salidacambia de acuerdo con la tension de entrada. De este modo el dispositivo puede acoplar una senal de entradacon el circuito de salida.

La ventaja principal de un optoacoplador es el aislamiento electrico entre los circuitos de entrada y salida.Fundamentalmente este dispositivo esta formado por una fuente emisora de luz, y un fotosensor de silicio,que se adapta a la sensibilidad espectral del emisor luminoso, todos estos elementos se encuentran dentro deun encapsulado que por lo general es del tipo DIP.

Tipos de Optoacopladores

Existen varios tipos de optoacopladores cuya diferencia entre sı depende de los dispositivos de salida quese inserten en el componente. Segun esto tenemos los siguientes tipos, http://www.scribd.com 23 :

1. Fototransistor: Se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un transistorBJT. Los mas comunes son el 4N25 y 4N35.

2. El fototriac: Se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac.

3. Fototriac de paso por cero: Optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce porcero.

4. Optotiristor: Disenado para aplicaciones donde sea preciso un aislamiento entre una senal logica y lared, fig. 1.4.

Figura 1.4: Sımbolo general del optotransistor

Para este proyecto se considero el Optotriac o fototriac, ya que es el que mas se acerca a las necesidadesde control de la podadora por tener un mejor funcionamiento en el arranque de los motorreductores.

1.5.3. Microcontrolador

Llamamos microcontrolador al conjunto de microprocesador electronico que tiene incorporados otros el-ementos basicos para ejecutar un programa, como es la memoria y los puertos, siendo estos ultimos en-tradas y salidas de datos utilizados para que el mismo se comunique de alguna manera con el exterior,www.digitales.com 24 .



CodeWarrior

Para este proyecto se selecciono el CodeWarrior para realizar el control de la podadora, este permitela programacion en lenguaje ensamblador, C y C++. Se permiten combinaciones de codigo en los tiposmencionados o realizar aplicaciones con un lenguaje unico. La version para la familia HC12 permite 12kben C++.

Funcionamiento

CodeWarrior se basa en el trabajo con proyectos. Un proyecto se puede crear totalmente desde cero, pormedio de un asistente.

Dentro de un proyecto de CodeWarrior se puede tener varias configuraciones con el fin de realizar accionescomo las siguientes:

1. Almacenar el codigo en zonas de memoria diferentes segun las configuraciones especificadas.

2. Poder usar diferentes programas de Debug y programacion con solo escoger una configuracion u otra.

Cada una de esas configuraciones que se pueden tener en un proyecto de CodeWarrior son llamadas TAR-GET, donde una escoge la que necesite usar en el momento de compilar, simular, hacer debug y programar.

Cada TARGET permite elegir que archivos del proyecto usar y cuales no.

Lenguaje ensamblador C y C++

La diferencia principal entre el lenguaje C y C++, es que el lenguaje C genera las librerias al abrirun nuevo proyecto, en cambio el lenguaje C++ las tenemos que generar. Ademas el lenguaje C++ es masorientado a objetos.

1.5.4. Redes Neuronales Biologicas

El sistema nervioso contiene alrededor de cien mil millones de neuronas, organizadas mediante una redcompleja en la que las neuronas individuales pueden estar conectadas a varios miles de neuronas distintas. Secalcula que una neurona del cortex cerebral recibe informacion, por termino medio, de unas 10 000 neuronas,y envıa pulsos a varios cientos de ellas.

Desde un punto de vista funcional, las neuronas constituyen procesadores de informacion sencillos. Comotodo sistema de este tipo, posee un canal de entrada de informacion, las dendritas; un organo de computo,el soma, y un canal de salida, el axon, figura 1.5.

Figura 1.5: Estructura de una neurona biologica tıpica



Una red neuronal biologica se constituye de las siguientes partes:

1. Soma: Organo de computo.

2. Axon: Canal de salida.

3. Dendritas: Entrada de informacion.

Las neuronas se unen a traves de uniones denominadas sinapsis. En el tipo de sinapsis mas comun noexiste un contacto fısico entre las neuronas, sino que estas permanecen separadas por un pequeno vacıo deunas 0.2 micras. Con relacion a la sinapsis, se habla de neuronas presinapticas (las que envıan las senales) yneuronas postsinapticas (las que las reciben). Las sinapsis son dirigidas, es decir, la informacion fluye siempreen un unico sentido, James A. Freeman and David M. Skapura 25 .

1.5.5. Redes Neuronales Artificiales

Los tres conceptos a emular de los sistemas naturales son:

1. Paralelismo de calculo

2. Memoria distribuida

3. Adaptabilidad al entorno

El procesamiento paralelo resulta esencial en este tipo de tareas para poder realizar gran cantidad decalculo en un intervalo de tiempo lo mas reducido posible. Otro concepto importante que aparece en elcerebro es el de memoria distribuida. Mientras que en un computador la informacion ocupa posiciones dememoria bien definidas, en los sistemas neuronales se encuentra distribuida por las sinapsis de la red, demodo que si una sinapsis resulta danada, no perdemos mas que una parte muy pequena de la informacion.

El ultimo concepto fundamental es el de adaptabilidad. Las redes neuronales artificiales se adaptan facil-mente al entorno modificando sus sinapsis, y aprenden de la experiencia, pudiendo generalizar conceptos apartir de casos particulares.

A partir de las tres propiedades anteriores concluimos que en la realizacion de un sistema neuronal artificialpuede establecerse una estructura jerarquica similar. El elemento esencial de partida sera la neurona artificial,que se organizara en capas; varias capas constituiran una red neuronal, y por ultimo, una red neuronal (oconjunto de ellas), junto con las interfaces de entrada y salida, mas los modulos convencionales adicionalesnecesarios, constituiran el sistema global de proceso, figura 1.6, James A. Freeman and David M. Skapura25 .

Figura 1.6: Estructura jerarquica de un sistema basado en Redes Neuronales Artificiales



Arquitectura de las Redes Neuronales Artificiales

Definiciones Basicas

Se denomina arquitectura a la topologıa o estructura en la que las distintas neuronas constituyentes dela red neuronal se asocian. En una red neuronal artificial, los nodos se conectan por medio de sinapsis; estaestructura de conexiones sinapticas determina el comportamiento de la red. Las conexiones sinapticas sondireccionales, es decir, la informacion solo puede fluir en un sentido (desde la neurona presinaptica a laneurona postsinaptica).

En general, las neuronas se suelen agrupar en unidades estructurales denominadas capas. Dentro de unacapa las neuronas pueden agruparse formando grupos neuronales. Dentro de una misma capa o agrupacion,las neuronas suelen ser del mismo tipo. El conjunto de una o mas capas constituye una red neuronal, figura1.7.

Figura 1.7: Capas de una red

Podemos distinguir tres tipos de capas:

1. Capa de entrada: compuesta por neuronas que reciben datos o senales procedentes del entorno.

2. Capa de salida: aquella cuyas neuronas proporcionan la respuesta de la red neuronal.

3. Capa oculta: aquella que no tiene una conexion directa con el entorno.

Las conexiones entre las neuronas pueden ser excitatorias o inhibidoras, segun el signo del peso sinapticoasociado a la conexion. Si dicho peso sinaptico es negativo, entonces tendremos una conexion inhibitoria,si por el contrario este es positivo estaremos frente a una conexion excitatoria. Esta distincion no sueleusarse demasiado, ya que el peso y su magnitud vendran determinados en cada instante por el algoritmo deentrenamiento.

Las conexiones pueden clasificarse tambien en conexiones intracapa y conexiones intercapa. Las primerasse corresponden con las conexiones entre las neuronas de una misma capa y, la segunda se corresponde a lasconexiones entre neuronas de distintas capas, James A. Freeman and David M. Skapura 25 .

1.6. Definicion de robot

Un robot se define como una entidad hecha por el hombre con un cuerpo (anatomıa) y unaconexion de retroalimentacion inteligente entre el sentido y la accion directa no bajo del control



humano, maquinas-inteligentes.blogspot.com 9 . Sin embargo, se ha avanzado mucho en el campo de losrobots con inteligencia alambrica. Las acciones de este tipo de robots son generalmente llevadas a cabo pormotores o actuadores que mueven extremidades o impulsan al robot. Ası mismo, el termino robot ha sidoutilizado como un termino general que define a una maquina mecanica o automata, que imita a un animal,ya sea real o imaginario, pero se ha venido aplicado a muchas maquinas que reemplazan directamente a unhumano o animal en el trabajo o el juego. Esta definicion podrıa implicar que un robot es una forma debiomimetismo.

Por lo tanto se podrıa decir que el prototipo de podadora es un robot.

1.6.1. Arquitectura de los robots

En la actualida existen diferentes tipos y clases de robots, entre ellos con forma humana, de animales, deplantas o incluso de elementos arquitectonicos pero todos se diferencian por sus capacidades y se clasificanen 4 formas, maquinas-inteligentes.blogspot.com 9 :

1. Androides: robots con forma humana. Imitan el comportamiento del hombre, su utilidad en la actualidades de solo experimentacion. La principal limitante de este modelo es la implementacion del equilibrio ala hora del desplazamiento, pues es bıpedo.

2. Moviles: se desplazan mediante una plataforma rodante (ruedas); estos robots aseguran el transportede piezas de un punto a otro.

3. Zoomorficos: es un sistema de locomocion imitando a los animales. La aplicacion de estos robots sirve,sobre todo, para el estudio de volcanes y exploracion espacial.

4. Poliarticulados: mueven sus extremidades con pocos grados de libertad. Su utilidad es principalmenteindustrial, para desplazar elementos que requieren cuidados.

1.7. Prototipo de una Podadora

Para este trabajo se tiene que disenar y construir un prototipo de podadora la cual servira para im-plementar el sistema de automatizacion, para llevar a cabo este diseno se tiene en cuenta los siguientesparametros:

- Potencia de entrada.

- Velocidad.

- Sistema motriz.

- Materiales.

1.7.1. Actividades generales de un prototipo

Las actividades generales de un prototipo se describen en la figura 1.8.



Figura 1.8: Actividades generales de un prototipo

Acontinuacion se da una breve explicacion de cada una de las actividades que se deben de realizar en laevolucion del prototipo.

1. Modelacion cinematica y dinamica: En este punto se debe de enfatizar en estudiar las fuerzas queprovocan los movimientos (cambios en la direccion y/o magnitud de las velocidades) ademas de analizarlos movimientos, generalmente sin tener en cuenta ni las fuerzas que los provocan ni las masas sobrelas que actuan, viref.udea.edu.co 7 .

2. Modelo del prototipo: Como siguiente actividad se hace un bosquejo del prototipo, sin llegar a unasimulacion computacional.

3. Simulacion computacional : La simulacion computacional se realiza cuando se tiene un analisis de lacinematica y dinamica del prototipo y por su puesto un modelo sobre el cual se va a trabajar.

4. Diseno mecanico del prototipo: Se realiza un diseno mecanico el cual debe cumplir con caracterısticasespecıficas que el prototipo demande (ergonomicos y de seguridad).

5. Fabricacion del prototipo: Posteriormente se contruye el prototipo respetando o modificando algunosaspectos de las actividades anteriores segun el prototipo lo requiera.

6. Ensamble y pruebas de actuacion del prototipo: El prototipo se ensambla y se realizan pruebas quegaranticen el buen funcionamiento del prototipo.

7. Diseno del sistema de control : Despues del analisis realizado se disena el sistema de control con losparametros requeridos.

8. Actuadores y sensores: Deben ser considerados el numero de actuadores y sensores que se utilicen.

9. Interface A/D o D/A: Se transforma de una senal analogica a digital (sensores) o digital a una analogica(actuadores), www.ucontrol.com 8 .


2

Construccion del prototipo de unapodadora

En este capıtulo se presenta el diseno del prototipo de una podadora de acuerdo a losparametros de diseno de operacion.

17


2.1. Parametros de diseno del prototipo de una podadora

Para la construccion del prototipo de una podadora automatica se definieron principalmente tres paramet-ros los cuales son potencia, velocidad y fuerza.

En las siguientes tres secciones se calculan los parametros de diseno de la podadora.

2.1.1. Potencia

La potencia en los sistemas electricos se define como, ec. 2.1:

P = V I (2.1)

Donde:

P , Potencia del sistema, [Watts].

V , Voltaje del motor, [Volts].

A , Amperaje del motor, [A].

Aplicando los valores particulares en la ec. 2.2 se tiene:

P = (12V ) × (5A) = (60Watts) ×(

1HP

746Watts

)= 0,08HP (2.2)

Por lo tanto la potencia es de 0.08 caballos de fuerza.

2.1.2. Modulo o Velocidad

El modulo se obtiene a traves de la ec. 2.3.

v = (ω) × (R) (2.3)

Donde:

v , Velocidad [m/seg ]

w , Velocidad angular, [rad/seg ].

R , Diametro de la salida, [cm].

Tomando en cuenta la velocidad angular del motor, tenemos que, ec. 2.4:

w0 = 180 rpm (2.4)

Para reducir la velocidad del motoreductor se considero dividir el diametro del engrane mayor entre eldiametro del engrane menor, Relacion de engranes, al realizar esta operacion obtenemos los siguientesvalores de la velocidad angular, ec. 2.5:

RE =12 cm

3 cm= 4 (2.5)

De la ec. 2.5 obtenemos que las rpm con el acoplamiento de engranes son:

ω1 =180 rpm

4= 45 rpm (2.6)



ω1 = (45 rev/min) ×(

2π × rad

1 rev

)×(

1min

60 seg

)= 4,7 rad/seg (2.7)

Aplicando la ecuacion 2.3, consideramos convertir radianes sobre segundo a metros sobre segundo:

v = (4,7 rad/seg) × (3cm) ×(

1m

100 cm

)= 0,14m/seg (2.8)

2.1.3. Fuerza

La fuerza se define como la potencia entre la velocidad, ec. 2.9.

F = P/v (2.9)

Donde:

F , Fuerza, [N ].

P , Potencia del motor, [Watts].

v , Velocidad, [m/seg ].

Aplicando los valores particulares se tiene el valor particular de la fuerza, ec. 2.10:

F =60ω

0,14m/seg= 428,57Newtons (2.10)

2.2. Sistema de transmision del prototipo

El sistema de prototipo de una podadora se compone de engranes para la reduccion de velocidad acopladosal motor, chumaceras para evitar el desgate y la friccion que pudiera existir en un momento dado en lasbases de la podadora. Por otra parte se requieren baleros para las llantas, ya que se presencia friccion en elrodamiento de las llantas.

2.2.1. Soporte mecanico

Para el soporte del sistema motriz se requieren 3 llantas. Para tener el sistema en equilibrio se realizo unarreglo colocando una llanta en la parte delantera para la direccion y dos para la traccion.

Caracterısticas particulares de las llantas

- Diametro exterior: 17.8 cm

- Diametro del balero: 2 cm

A continuacion se muestra la figura 2.1 de una de las llantas empleadas en este trabajo desde una perspectivasuperior.



Figura 2.1: Llantas con balero-vista superior

2.2.2. Chumaceras cuadruples

Las chumaceras de pared de los soportes de la podadora evitan el desgaste a consecuencia de la friccionvertical entre el eje y el soporte de la podadora. Las chumaceras de pared se ocupan precisamente para evitarla friccion de los ejes en una superficie que este posicionada en forma de pared.

Caracterısticas de las chumaceras empleadas en este trabajo

Dimensiones:

- Largo: 10 cm

- Diametro centrico: 1.7 cm

- Diametros de tornillos: 1 cm

La figura 2.2 muestra la vista superior de las chumaceras de pared:

Figura 2.2: Chumaceras de pared - vista superior

2.2.3. Engranes

Los engranes, figura 2.3 y figura 2.4, son un par cinematico que al girar se acoplan entre sı. El arreglopara que se logre con exito la reduccion de velocidad es como sigue: el engrane con diametro menor se acoplacon el eje del motor y el que tiene mas diametro al eje de los soportes de placas paralelas.

Caracterısticas de cada engrane

1. Engrane con diametro mayor:

- Diametro mayor: 12.4 cm

- Diametro menor: 2.5 cm

Figura 2.3: Engrane de diametro mayor



2. Engrane con diametro menor

- Diametro mayor: 2.5 cm

- Diametro menor: 0.6 cm

Figura 2.4: Engrane de diametro menor

2.2.4. Piezas gemelas para el acoplamiento del eje y las llantas de traccion

Siguiendo con las piezas que se obtienen para armar una podadora. Dos placas van montadas sobre cadauna de las llantas de traccion con unos tornillos de 3/16 de pulgada de ancho y 1/2 de pulgada de largo. Eleje de cada llanta se atornilla con las placas debido a una pieza que va soldada con la placa en el centro a uncostado del diametro centrico, esto se realiza con el objetivo de obtener un mejor control sobre la traccion delas llantas.

Caracterısticas de las piezas gemelas

Sus caracterısticas principales son las siguientes:

- Largo: 9.3 cm

- Ancho: 5 cm

- Diametro del balero: 2.5 cm

- Diametros de los tornillos: 0.6 cm

La figura 2.5 muestra la pieza atornillada y soldada.

Figura 2.5: Placas de sujecion con pieza de union

2.2.5. Piezas gemelas para el acoplamiento de los engranes a las llantas de trac-cion

Existe dos piezas las cuales se tornean de tal manera que se puedan acoplar con el diametro de cadaengrane de mayor diametro, con los ejes de cada llanta de traccion. Esto es con el proposito de ajustar elengrane de la salida al eje del motor de tal forma que reduzca la velocidad. A continuacion se muestran lasmedidas requeridas para este trabajo.



- Se requieren dos engranes, los cuales se acoplen entre sı. Ademas el diametro interno del engrane demayor tamano debe acoplarse al diametro interno de la chumacera y el diametro interno del engranemenor debe poder ser acoplado al eje del motor.

Para el engrane de menor tamano se tienen las siguientes caracterısticas, fig. 2.6:

Figura 2.6: Dimensiones de engrane menor

Para el engrane mayor se tienen las siguientes medidas, fig. 2.7:

Figura 2.7: Dimensiones de engrane mayor

- Un eje ya devastado con 1.6 cm de diametro y 17 cm de largo, fig. 2.8.

Figura 2.8: Dimensiones del eje de apoyo de la llanta de traccion

- Una barra de aluminio torneada y perforada con un tornillo de 1/4 de pulgada, fig. 2.9.



Figura 2.9: Barra de aluminio torneada y perforada

- El mecanismo construido y aclopado se muestra en la fig. 2.10.

Figura 2.10: Piezas aclopadas

2.2.6. Ejes

Los ejes se desbastan con ayuda del torno y un buril de tal forma que corresponda con las medidasobtenidas de los baleros de las llantas, las piezas maquiladas y las bases de soporte.

Caracterısticas de los ejes

Las caracterısticas de los ejes de apoyo para las llantas de traccion son las siguientes:

- Largo 17 cm

- Diametro: 1.6 cm

Las caracterısticas principales del eje para la llanta de direccion son las siguientes:

- Largo 15.3 cm

- Diametro: 1.6 cm

Acontinuacion la figura 2.11 muestra uno de los ejes empleados para este proyecto:



Figura 2.11: Eje de apoyo

2.2.7. Soportes de una podadora

Estos se colocan de manera tal que cubran la llanta sin chocar con ella, al mismo tiempo llevan unascircunferencias para el eje que une la llanta con las bases y a su vez con el motor.

Caracterısticas de los soportes para las llantas de traccion


- Largo: 18 cm

- Ancho: 10.9 cm

- Diametros: 1.7 cm

La figura 2.12 muestra los soportes adecuados para las llantas de traccion:

Figura 2.12: Soportes de las llantas de traccion

2.2.8. Soporte de direccionamiento

El soporte de direccionamiento es muy parecido a los de las llantas de friccion excepto que tiene un ejeunido con la base del soporte. Se diseno de esta manera para obtener un mejor control sobre la posicion delmotor, puesto que, va acoplado al eje del soporte.

Caracterısticas del soporte para la llanta de direccionamiento


Medidas basadas en las placas paralelas:

- Largo: 14.2 cm

- Ancho: 5.5 cm

Medidas de la base:

- Largo: 10.9 cm

- Ancho: 7.2 cm



Medidas del eje para el direccionamiento:

- Diametro: 1.5 cm

- Largo: 6 cm

El soporte para llanta de direccionamiento se muestra en la figura 2.13

Figura 2.13: Soporte de la llanta de direccion

2.3. Prototipo de una podadora

El prototipo final de una podadora se muestran en la siguiente figura 2.14

Figura 2.14: Partes del prototipo de una podadora



Al armar cada pieza de la podadora automatica se llegaron a las siguientes medidas finales del prototipo,figura 2.15.

Figura 2.15: Medidas finales del prototipo de una podadora

2.4. Sistema electrico en el prototipo

La parte electrica se constituye de resistencias para controlar la velocidad del motorreductor, para elrodamiento de las llantas de traccion y la llanta delantera de direccionamiento, un generador de corrientecontinua para suministrar energıa a cada componente.

2.4.1. Motorreductores de corriente continua (C.C.)

Para este trabajo se ocuparon 2 motorreductores para cada una de las llantas de traccion, con las siguientescaracteristıcas:

- Voltaje: 12 Volts

- Amperaje: 6 Amperes

- Revoluciones: 180 rpm.

En la figura 2.16, se muestra el motorreductor que proporciona la potencia a la llanta de traccion izquierda:



Figura 2.16: Motorreductor izquierdo

En la figura 2.17, se muestra el motorreductor que proporciona la potencia a la llanta de traccion y control:

- Voltaje: 12 Volts

- Amperaje: 5 Amperes

- Revoluciones: 180 rpm

Figura 2.17: Motorreductor derecho

2.4.2. Bateria de corriente continua (C.C.)

Una baterıa de C.C. proporciona la energıa necesaria para alimentar sensores, motores y el micro-controlador del prototipo de podadora.

Caracterısticas de la baterıa de C.C. que se emplea en este trabajo

- Temperatura: 20 ◦C

- Amperaje: 18 Ampereshora

- Voltaje: 12 Volts

- Dimensiones: 16.5 x 18 cm

En la figura 2.18 se muestra la baterıa de C.C. que se empleo en este trabajo.



Figura 2.18: Baterıa de corriente continua

2.5. Control electronico

2.5.1. Control de un motor electrico

Por seguridad del operador y de la instalacion electrica, para poner en marcha y parar un motor, elcircuito derivado de este, debe estar provisto entre otros accesorios de un arrancador que puede ser manual,semiautomatico o automatico. Los arrancadores manuales son aquellos que requieren que el operador manipuleen forma manual mediante una palanca, control mecanico, los contactores de arrancador para poner en marchao parar el motor. Los arrancadores semiautomaticos, son aquellos que requieren que el operador pulse un botonpara energizar o desenergizar la bobina con el campo magnetico que produce, cierra y abre los contactorespara con esto arrancar o parar el motor. Los arrancadores automaticos, son aquellos que por algun medio seenergiza o se desenergiza la bobina que con el campo magnetico que produce cierra y abre los contactoresdel arrancador y con esto enciende y apaga el motor.

El control de los motores se realiza por medio de un optotriac, figura 2.19.

Figura 2.19: Circuito de arranque

2.5.2. Convertidor analogico-digital

Un conversor (o convertidor) analogico-digital (CAD), es un dispositivo electronico capaz de convertir unvoltaje determinado en un valor binario, en otras palabras, este se encarga de transformar senales analogasa digitales.

Funcionamiento

Estos conversores poseen dos senales de entrada llamadas Vref+ y Vref− y determinan el rango en el cualse convertira una senal de entrada.

El dispositivo establece una relacion entre su entrada (senal analogica) y su salida (digital) dependiendode su resolucion. Esta resolucion se puede saber, siempre y cuando conozcamos el valor maximo que laentrada de informacion utiliza y la cantidad maxima de la salida en dıgitos binarios. A manera de ejemplo,el convertidor analogo digital ADC0804 tiene la capacidad de convertir una muestra analogica de entre 0 y



5 voltios y su resolucion se determina de la siguiente manera.

Resolucion = valor analogico/(2^8)

Resolucion = 5 V / 256

Resolucion = 0.0195v o 19.5mv.

Resolucion = LSB

Lo anterior quiere decir que por cada 19.5 milivoltios que aumente el nivel de tension entre las entradasnomencladas como Vref+ y Vref− que ofician de entrada al conversor, este aumentara en una unidad susalida (siempre sumando en forma binaria bit a bit), www.digitales.com 24 . Por ejemplo:

Entrada - Salida

0 V - 00000000

0.02 V - 00000001

0.04 V - 00000010

1 V - 00110011

(5 V-LSB) - 11111111

2.5.3. Sensores

Los sensores posibilitan la comunicacion entre el mundo fısico y los sistemas de medicion y/o de control,tanto electricos como electronicos, utilizandose extensivamente en todo tipo de procesos industriales y noindustriales para propositos de monitoreo, medicion, control y procesamiento, los sensores pueden ser deindicacion directa (ejemplo un termometro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posible-mente a traves de un convertidor analogico a digital, un computador y un display) de modo que los valoressensados puedan ser leıdos por un humano, disenodigital.unlugar.com 26 .

Factores importantes dentro del manejo de sensores

Los factores mas relevantes dentro del manejo de los sensores son, disenodigital.unlugar.com 26 :

-Distancia nominal de deteccion La distancia de deteccion nominal corresponde a la distancia de op-eracion para la que se ha disenado un sensor, la cual se obtiene mediante criterios estandarizados en condi-ciones normales.

-Distancia efectiva de deteccion La distancia de deteccion efectiva corresponde a la distancia de detec-cion inicial (o de fabrica) del sensor que se logra en una aplicacion instalada. Esta distancia se encuentra maso menos entre la distancia de deteccion nominal, que es la ideal, y la peor distancia de deteccion posible.

Existen otros terminos asociados al calculo de la distancia nominal en los sensores los cuales son: Histeresis,Repetibilidad, Frecuencia de conmutacion y Tiempo de respuesta.

-Histeresis La histeresis, o desplazamiento diferencial, es la diferencia entre los puntos de operacion(conectado) y liberacion (desconectado) cuando el objeto se aleja de la cara del sensor y se expresa comoun porcentaje de la distancia de deteccion. Sin una histeresis suficiente, el sensor de proximidad se conecta



y desconecta continuamente al aplicar una vibracion excesiva al objeto o al sensor, aunque se puede ajustarmediante circuitos adicionales, figura 2.20, disenodigital.unlugar.com 26 .

Figura 2.20: Histeresis

-Repetibilidad La repetibilidad es la capacidad de un sensor de detectar el mismo objeto a la mismadistancia de deteccion nominal y se basa en una temperatura ambiental y voltaje electrico constantes, figura2.21.

Figura 2.21: Repetibilidad

-Frecuencia de conmutacion La frecuencia de conmutacion corresponde a la cantidad de conmuta-ciones por segundo que se pueden alcanzar en condiciones normales. En terminos mas generales, es la velocidadrelativa del sensor, figura 2.22.

Figura 2.22: Frecuencia de conmutacion

-Tiempo de respuesta El tiempo de respuesta de un sensor corresponde al tiempo que transcurreentre la deteccion de un objeto y el cambio de estado del dispositivo de salida (de encendido a apagado o de



apagado a encendido). Tambien es el tiempo que el dispositivo de salida tarda en cambiar de estado cuandoel sensor ya no detecta el objeto. El tiempo de respuesta necesario para una aplicacion especıfica se estableceen funcion del tamano del objeto y la velocidad a la que este pasa ante el sensor.

Sensores Capacitivos

Constante dielectrica Para la aplicacion de los sensores fue indispensable conocer la grafica 2.23 quemuestra la relacion de las constantes dielectricas de un objetivo y la habilidad del sensor de detectar elmaterial basado en la distancia nominal del sensado (Sr).

Caracterısticas

- Capacidad de deteccion de objetos metalicos, no metalicos, solidos o lıquidos.

- Distancia ajustable de seleccion.

- Operacion por 3 hilos.

- Conexion por 3 hilos, 3 patillas o 4 patillas.

- Salida normalmente abierta o cerrada.

- Proteccion contra cortocircuitos, sobrecarga, inversion de la polaridad y ruidos transitorios.

Figura 2.23: Constante Dielectrica

Dimensiones-mm(pulgadas) La figura 2.24 muestra las dimensiones en mm de los sensores.

Figura 2.24: Dimensiones del sensor

Con un diametro de M30 por 1.5 las dimensiones en mm son las siguientes:

A - 12.0 mm

B - 61.5.0 mm

C - 40.5 mm

D - 1.0 mm



Diagrama de conexion del sensor capacitivo A continuacion se muestra el diagrama de conexion deel sensor capacitivo de C.C. a 3 hilos, Fig.2.25.

Figura 2.25: Circuito de conexion


3

Programa de control

En este capıtulo se describe el control aplicando La Red Neuronal de Hopfield

33


3.1. Redes Neuronales Artificiales

Existen diversos tipos de redes neuronales artificiales, entre las mas sencillas y la que nos interesa es LaRed Neuronal de Hopfield, la cual es llamada unicapa porque une las neuronas de la primera capa a lasegunda linealmente, esto ocurre cuando las neuronas entran en un estado de equilibrio, posteriormente seconjuntan todas las neuronas en una sola. El equilibrio se logra partiendo de una idea parcial la cual es unestado de activacion que forma parte de una idea general. La red se presenta con dos modelos de entrada,uno a la vez, recordando el modelo correcto la cual se entreno por medio de matrices. Obteniendo valoresbinarios ya sea un 0 o 1. La comparacion se lleva a cabo, comparando las longitudes entre ellas, tratandoestas distancias como vectores, sus puntos producto se obtiene multiplicando por la primera correspondiente,anadiendo estos productos, James A. Freeman and David M. Skapura 25 .

3.1.1. Estructura Jerarquica de un sistema basado en Redes Neuronales Artifi-ciales y sus elementos

La estructura jerarquica se describe de la siguiente manera, James A. Freeman and David M. Skapura 25 :

- Entradas: x(t). Binarias (digitales) o continuas (analogicas) dependiendo del modelo de aplicacion.

- Pesos sinapticos: w. Representan la intensidad de interaccion entre cada neurona presinaptica j y laneurona postsinaptica i.

- Regla de propagacion: σ(w, x(t)). Proporciona el valor del potencial postsinaptico, h(t), de la neuronai en funcion de sus pesos y entradas. Es decir: h(t) = σ(w, x(t)).

- Funcion de activacion o de transferencia: f . Proporciona el estado de activacion actual, a, de la neuronai en funcion de su estado anterior, a, y de su potencial postsinaptico actual.

- Funcion de salida: Proporciona la salida actual de la neurona i en funcion de su estado de activacionactual. Muy frecuentemente la funcion de salida es simplemente la identidad, de modo que el estado deactivacion de la neurona se considera como la propia salida.

3.1.2. Funcion de activacion

Una funcion ejecuta una operacion matematica sobre la senal de salida. Mas complicada la funcion deactivacion tambien puede ser utilizada dependiendo de el tipo de problema para ser resolvido por la red.

Las funciones de activacion mas habituales se encuentran en la siguiente tabla, fig. 3.1:

Figura 3.1: Representa el potencial postsinaptico y el estado de activacion.



Funcion Lineal

Como es de conocerse, una funcion lineal satisface el concepto de superposicion.

La funcion matematica para la funcion lineal es, ec. 3.1:

y = f(u) = a ∗ u (3.1)

Donde α es la pendiente de la funcion linea. Si la pendiente α es 1, entonces la funcion de activacionlineal es llamada La funcion identidad. La salida (y) de la funcion identidad es igual a la funcion deentrada (u). Aunque esta funcion podrıa parecerce a un caso trivial, sin embargo esto es muy util envarios casos semejantes como la fase pasada de una red neuronal de multicapa.

Funcion escalon

Una funcion de activacion escalon es tambien una tipo binaria o una tipo bipolar. La salida de unafuncion escalon binaria puede escribirse como sigue, ec. 3.2:

y = f(u) =

{0 if u<0

1 if u ≥ 0

}(3.2)

La neurona con la funcion de activacion escalon es referida como la McCulloch-Pitts model.

Funcion lineal a tramos

Este tipo de funcion de activacion es tambien referida como funcion lineal saturado y puede tenertambien binario o bipolar rango para el limite de saturacion de salida. El modelo matematico para unafuncion de saturacion simetrica es descrita como sigue, ec. 3.3:

y = f(u) =

{ −1 if u<−1

u if − 1 ≥ u ≥ 1, 1 if u ≥ 1

}(3.3)

Sigmoidea

Esta funcion no lineal es el tipo mas comun de la activacion usada para construir la red de neuronas.Esta es matematicamente bien comportada, diferte y funcion estrictamente creciente. Una funcion detransferencia sigmoidea puede ser escrita como sigue, ec. 3.4:

f(x) =1

1 + e−αx, 0 ≤ f(x) ≤ 1 (3.4)

Donde α es la forma del parametro de la funcion de sigmoidea. Esta funcion es continua y diferente.



3.2. Red Neuronal de Hopfield

Como se menciono anteriormente La Red Neuronal de Hopfield que es una de las redes de una sola capay su arquitectura esta formada de las siguientes secciones, figura 3.2:

Figura 3.2: Arquitectura de la red biologica

1. Capa de entrada: Esta compuesta por neuronas que reciben datos o senales procedentes del entorno.

2. Capa de salida: Es aquella cuyas neuronas proporcionan la respuesta de la red neuronal.

Ecuaciones basicas para la red neuronal de Hopfield

Para la formacion de la red neuronal es necesario conocer las siguientes ecuaciones 3.5, 3.6, 3.8, James A.Freeman and David M. Skapura 25 :

1. Ecuacion de Prueba.W ×A (3.5)

Donde:

W , Peso sinaptico (representa la intensidad de interaccion entre cada neurona presinaptica j y laneurona postsinaptica i).

A , Patron a seguir.

3.2.1. Ponderales

Los valores W son factores de ponderaciones asociadas con cada nodo para determinar la intensidadde la entrada del vector lineal X = [x1, x2, x3 . . . xn]T . Cada entrada es multiplicada por la asociacionde la ponderacion de la conexion XTW . Dependiendo de la funcion de activacion, si la ponderaciones positiva, XTW ordinariamente excita al nodo de salida; mientras, para las ponderaciones negativas,XTW permiten el impedimento al nodo de salida.

3.2.2. Umbral

En el interior del nodo el umbral θ es la magnitud compensada que afecta la activacion del nodo desalida y como sigue, ec. 3.6:



y =ni=1 (XiWi) − θk (3.6)

2. Ecuacion de Comparacion.

√(x2 − x1)2 + (y2 − y1)2 + (z2 − z1)2 + ... (3.7)

Donde:

x,y,z... , entradas analogicas

3. Funciones de activacion Booleana de umbral, ec. 3.8.

f(t) =

{1 if t≥θ

0 if t < θ

}(3.8)

Donde:

θ , Umbral

t , Resultado de la ecuacion de comparacion

3.3. Programacion

Este programa esta disenado para una red neuronal de Hopfield que se enfoca en una podadora conuna capa simple de 4 neuronas completamente interconectadas; la red debe recordar el patron 1010 y0101. Cada 1 indica la activacion de una salida y cada 0 indica no efectuar ninguna operacion.

Las matrices de Hopfield pueden recordar patrones parecidos al patron disenado para la matriz, ecua-ciones 3.5, 3.6, 3.8, es decir que si el patron disenado tiene un valor de 1010 y se le carga una entrada de0010, la matriz recordara la entrada como 1010. Para predecir el patron resultante con mayor precisionse calculan las distancias.

3.3.1. Entradas

Para este trabajo las entradas identificadas son:

a) Sensor enfrente-pasto.

b) Sensor enfrente-obstaculo.

c) Sensor derecha.

d) Sensor izquierda.

El primer sensor de enfrente detecta la presencia de pasto, el segundo detecta los obstaculos con los quese puede llegar a topar en un jardın, el sensor de la izquierda y el de la derecha detectan si hay pasto.

3.3.2. Salidas

Las salidas para este trabajo que se utilizaran en el programa de control son:

a Motores de las llantas de traccion.

b Inversion de giro de la llanta de direccion.

c Motor de la llanta de direccion.



Analogıa entre el objeto real y el codigo binario

- Cuando el sensor 1 y 4 detectan la presencia del pasto y el sensor 2 detecta la presencia de unobstaculo mandaran una senal 1101 en consecuencia su salida sera 0101, esto significa que se mantendranencendidas las salidas de las llantas de traccion y de direccion.

- Cuando el sensor 1 y 3 detectan la presencia del pasto y el sensor 2 detecta la presencia de unobstaculo mandaran una senal 1011 en consecuencia su salida sera 1010, esto significa que se mantendranencendidas las salidas de las llantas de direccion.

- Cuando el sensor 1,3 y 4 detectan la presencia del pasto y el sensor 2 detecta la presencia de unobstaculo mandaran una senal 1111 en consecuencia su salida sera, esto significa que se mantendranencendidas las salidas de las llantas de direccion 1010 (aumentar una condicional).

Codigo del programa

#include <hidef.h> /*compila y define macros*/

#include <MC9S12XEP100.h> /* deriva la informacion del microcontrolador*/

#pragma LINK_INFO DERIVATIVE "mc9s12xep100"

/* se declara que no puede ser cambiada la informacion del microcontrolador*/

int i,j; \\declaracion de la neurona 1 y 2

int pe[4][4]= {0,-3,3,-3,-3,0,-3,3,3,-3,0,-3,-3,3,-3,0};

\\se da a conocer la matriz W tama~no 4x4

int patrone[]={1,0,1,0}; \\patron de entrada A

int patrons[]={0,0,0,0}; \\patron de entrada B

int An[4]; \\define el numero de capas

void main (void)

{

DDRA=0x00; \\se habilita al puerto A como entradas

DDRB=0xFF; \\se abilita al puerto B como salidas

PORTB=0x00; \\Puerto para vector de salida

EnableInterrupts; \\macro para activar todos los interruptores

while(1) { \\Patron de entrada

patrone[0]=PORTA _ PA0;




\\Presenta el patron a la red y obtiene la activacion de cada neurona

for(i=0;i < 4;i++) \\la neurona i comienza a trabajar

{

for (j=0;j < 4;j++) \\la neurona j comienza a trabajar

{

An[i]+=patrone[j]*pe[i][j];} \\Funcion de activacion

if(An[i] >=0) \\compara tomando en cuenta que theta como cero

patrons[i]=1; \\la neurona se activa

else

patrons[i]=0;\\la neurona no se activa

}

PORTB _ PB0=patrons[0];




\\Presenta el patron a la red y obtiene la activacion de cada neurona



for(i=0;i < 4;i++)

\\la primera neurona se inicializa desactivada y posteriormente

se cicla 4 veces por cada capa

{

An[i]=0; \\neurona desactivada

}

}

}


4

Resultados

40


4.1. Pruebas mecanicas y electricas del prototipo de podadora

Al realizar pruebas mecanicas para comprobar el buen funcionamiento del prototipo se mostrarondificultades.

En el sentido de direccionamiento, al hacer pruebas con la llanta loca, el prototipo tuvo cierta desviacionpuesto que el soporte para la llanta loca fue incorrecto.

Vease video Pruebas del prototipo

El problema se resolvio cambiando la llanta loca por otra ya armada, el resultado fue satisfactorio puesse consiguio que el prototipo de podadora recorriera 10 metros lineales y ademas diera vueltas de formacontrolada.

4.1.1. Pruebas del Control de Levas

Las pruebas mecanicas para el control del prototipo de podadora electrica se realizaron por medio deun control mecanico de levas el cual fue montado y probado en el prototipo, diagrama de conexion 4.1

Figura 4.1: Diagrama de conexion del control de levas

Donde:

S1 , Switch encendido de control de levas, [5A].

S2 , Switch encendido de motores, [5A].

S3 , Switch esclavo del control de levas, [5A].

R1 , Resistencia, [10.5 Ohms].

R2 , Resistencia, [11.8 Ohms].

R3 y R4 , Resistencias, [1.1 Ohms].

M1 , Motorreductor, [0-24 Volts y 2A].

M2 y M3 , Motorreductores, [Capıtulo 2 ].



Se emplearon las resistencias R3 y R4 para la reduccion de velocidad del Motor M2. De acuerdo a losresultados obtenidos con el control de levas, se obtuvo la tabla 4.1:

numero de vueltas tiempo (seg)1 4.532 11.633 16.824 22.08

Cuadro 4.1: Tabla de resultados-control de levas

En la siguiente grafica se puede observar que el tiempo en el que recorre una vuelta es constante y porlo tanto el comportamiento del prototipo es correcto, figura 4.2.

Figura 4.2: Grafica-Control de Levas

Al cambiar la llanta loca se comprobo que la friccion entre los componentes mecanicos disminuiyo,ademas de que el control de la llanta es mas segura con este arreglo mecanico.

Vease video Pruebas de control de levas

4.2. Pruebas de velocidad

Al obtener los 10 metros lineales se obtuvieron las siguientes velocidades medidas con un cronometro,tabla 4.2:

Tiempo (seg) Distancia (m) Velocidad (m/seg)5.14 1 0.1910.09 2 0.1915.07 3 0.1919.8 4 0.224.7 5 0.229.31 6 0.234.02 7 0.239.01 8 0.244.2 9 0.249.5 10 0.2

Cuadro 4.2: Tabla de velocidad



Vease video Pruebas de velocidad

En la figura 4.3 se muestra una grafica en la cual se puede observar que la velocidad es constante.

Figura 4.3: Grafica de velocidad

En la grafica 4.3 se muestra que existe una variacion entre la velocidad inicial y las demas velocidades,esto es debido a que todos los motorreductores requieren de un tiempo de funcionamiento antes de quealcancen su maxima eficiencia. A demas de la disminucion de la velocidad inicial, se presento un incre-mento de temperatura, esto sucede porque los motorreductores demandan un ajuste interno adecuadoantes de su maxima eficiencia.

Velocidad teorica y velocidad medida

En la seccion de parametros de diseno se determino que la velocidad es en forma general, ec. 4.1:

V =W

mg(4.1)

Donde:

V , Velocidad, m/seg.

W , Potencia, watts.

m , Masa, kg.

g , Gravedad, m/seg2

La ec. 4.1 se grafica en funcion de la masa total del prototipo, tabla 4.3:

El valor de la velocidad medida del prototipo se obtuvo considerando un metro lineal, pesando fısica-mente el prototipo de podadora electrica y tomando en consideracion el promedio del tiempo de latabla 4.2, figura 4.4.

Figura 4.4: Bascula para pesar el prototipo



masa (kg) velocidad teorica(m/seg) velocidad medida (m/seg)1 6.112 33 24 1.525 1.26 17 0.88 0.79 0.6710 0.6111 0.5512 0.513 0.4714 0.4315 0.416 0.3817 0.3518 0.3319 0.3220 0.321 0.2922 0.2723 0.2624 0.25 0.225 0.2426 0.2327 0.2228 0.2129 0.2130 0.20

Cuadro 4.3: Tabla de velocidades

El peso total en libras es de 54 libras, considerando que una libra equivale a 0.45359 kg, se calcula queel peso total del prototipo de podadora electrica es de 24.462 kg.

Por lo cual, al comparar los resultados de la tabla 4.3, se muestra que existe una mınima perdidade velocidad en el prototipo de la podadora (0.05 m/s). Esto es debido a la perdida de energıa queproducen las fallas en el arreglo mecanico, es decir, existe una carga de flexion sobre los ejes de losmotorreductores y esto a su vez provoca una perdida de eficiencia.

4.3. Pruebas de la Red Neuronal de Hopfield

Para comprobar el buen funcionamiento de la programacion de la Red Neuronal de Hopfield se em-pleo el siguiente material: computadora, alimetacion de 5 volts, microcontrolador MC9S12XEP100, unprotoboard, cuatro leds, ocho resistencias de 220 Ohms, un minidip y cables de conexion.

Se conectaron 4 resistencias a las lıneas del protoboard cada una en serie con los 4 leds, como ali-mentacion se conecto de la lınea de 5 volts a las lıneas del protoboard y las 4 resistencias en serie con



el protoboard, como se muestra en la figura 4.5.

Figura 4.5: Conexiones al protoboard

Posterior a las conexiones del protoboard, las entradas y salidas del microcontrolador se cenectaron concada uno de los cables conectados en el protoboard (de los leds: salidas (puerto B, 1, 3, 5 y 7), de elminidip: entradas (puerto A, 39, 37, 35 y 33).

Figura 4.6: Conexiones en el microcontrolador

Entradas

Para este trabajo las entradas identificadas son:

a) Sensor enfrente-pasto [39].

b) Sensor enfrente-obstaculo [37].

c) Sensor derecha [35].

d) Sensor izquierda [33]. Seccion 3.3

Salidas

Las salidas para este trabajo que se utilizaran en el programa de control son:

a Motores de las llantas de traccion [1 y 3].

b Inversion de giro de la llanta de direccion [5].

c Motor de la llanta de direccion [7]. Seccion 3.3

El programa fue premeditado para dos patrones inıciales: 1010 y 0101, Seccion 3.3.



La figuira 4.7 demuestra que la red de Hopfield es verdadera, ya que si pudo recordar los patronesde entrada a los patrones disenados para la matriz, ademas que reconoce los patrones similares alos patrones iniciales. Cada led encendido representa un 1 y cada led apagado representa un 0. Losinterruptores hacia arriba representan entradas digitales 0 y hacia abajo representan entradas digitales1.

Figura 4.7: Comprobacion


5

Conclusiones

De acuerdo con el sistema motriz del prototipo la velocidad teorica es de 0,25m/s y la velocidad medidaen las pruebas experimentales es de 0,2m/s. Esta diferencia entre el valor teorico y medido se explicanpor el factor de carga sobre los ejes del motor y la perdida de eficiencia que existe en los motores decorriente continua.

La Red Neuronal de Hopfield logro recordar los patrones 1010 y 0101, esto significa que en las pruebasexperimentales al detectar entradas digitales similares a los patrones inıciales la red Neuronal arrojaesos mismos patrones a la salida, en cambio al activarse patrones completamente distintos la Redarroja valores diferentes a los inıciales, por consiguiente se comprobo que la Red Neuronal de Hopfieldes aplicable para este objetivo de control en especifico, sin embargo para otro tipo de sistema quedemande mas entradas o salidas de las aquı propuestas es una solucion viable condicionado a un previoanalisis y aumento en las entradas y salidas.

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Bibliografıa

1. http://www.roboticspot.com/especial/ia2004/robotica.php (2009).

2. Merriam Webster (2009). http://www.mecatronica-portal.com.

3. DIN 19 233 (2009). http://www.mecatronica-portal.com.

4. Francisco Armando Duenas Rodrıguez (2001). La Robotica,B. Automatizacion y robotica.

5. D. M. J. Hams y Mc Cloy (1993). Robotica una introduccion, LIMUSA y grupo noriega. Segunla Enciclopedia Britanica.

6. http://sifunpro.tripod.com/automatizacion.htm (2009).

7. http://viref.udea.edu.co/contenido/menu-alterno/apuntes/gusramon/biomecanica/03-CineticaDinamica.pdf (2009).

8. http://www.ucontrol.com.ar/wiki/index.php/Interfaz-A/D (2009).

9. http://maquinas-inteligentes.blogspot.com/ (2009).

10. www.educarchile.cl/medios/6122004143419.doc (2009).

11. http://www.iesmarenostrum.com/departamentos/tecnologia/mecaneso/mecanica-basica/maquinas/maq-mecanismos.htm (2009).

12. Gustavo Gill (2009). Motores Electricos. 1 Edicion.

13. Shrader (2009). Comunicacion electrica. Mac-Graw-Hill.

14. Gustavo Gill (2009). Motores Electricos. 1 Edicion.

15. http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke-factor-potencia/ke-factor-potencia-3.htm(2009).

16. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/generador/generador.htm (2009).

17. gama.fime.uanl.mx/-agarcia/01.pdf (2009).

18. W. Bolton (2009). Ingenierıa de Control. Alfaomega. 2 Edicion.

19. , http://www.solomantenimiento.com/articulos/m-reductores-motorreductores.htm (2009).

20. http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3330/5/34059-5.pdf (2009).

21. W. Bolton.(2009) Ingenierıa de Control. Alfaomega. 2 Edicion.

22. DEDUTEL (2009). Manual de sensorica.

23. http://www.scribd.com/doc/5516426/Optoacopladores (2009).

24. http://www.digitales.com/glosario.htm (2009).

25. James A. Freeman and David M (2009). Skapura. Neural Networks. Preface.

26. http://disenodigital.unlugar.com/articulos/METROWERKS CODEWARRIOR.pdf (2009).

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