Hardware de control
En este capítulo se explica el funcionamiento del hardware de control utilizado.
Placa del Microcontrolador
Una de las especificaciones pedidas por el centro para la construcción del QA3 fue el uso de la placa madre diseñada por el CIII. Esta placa madre genérica tiene la ventaja de poder ser utilizada en múltiples proyectos.
Esta plataforma contiene un microcontrolador LPC2114/24 con núcleo ARM7 y toda la electrónica asociada para realizar la programación y testeo de los sistemas diseñados. Además en el mismo centro se desarrollan un conjunto de librerías para facilitar el uso de los periféricos.
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Algunas características y periféricos de este microcontrolador son:
- 16/24K RAM
- 128/256K flash
- CPU con una velocidad maxima de 60MHz
- 4 canales A/D de 10 bit
- Interfaces series UART, I2C y SPI
- Dos timmers de 32 bit
- 6 PWM
- Reloj en tiempo real
- Hasta 46 I/O de proposito general
El circuito esquemático de la placa se muestra en la siguiente imagen.
Los componentes utilizados en la placa se encuentran en el mercado local, y para su diseño se empleó exclusivamente software libre, particularmente KiCAD
Sensores
Para obtener una estimación de la posición angular del QA3 se usan 2 sensores, estos son un giroscopio de 3 ejes y una acelerómetro de 3 ejes. Luego estas 2 mediciones de fusionan a través de un filtro complementario para obtener una estimación de los ángulos. Esta fusión se explica en capítulos siguientes.
Giroscopio
El sensor utilizado para medir velocidad angular es el ITG-3200. Este sensor es un giroscopio con salida digital a través del bus
, entregando mediciones correspondiente a los 3 ejes Y, X y Z. Cada medición realizada en su correspondiente eje, es digitalizada por 3 conversores A/D que entregan la información sobre un ancho de 16 bits. Posee un filtro pasa bajos programable, un sensor de temperatura y un oscilador con 2% de precisión.
Su tensión de alimentación es muy flexible y va desde 2.1V hasta los 3.6V. Su tensión de lógica se encuentra separada y puede ir desde 1.71V hasta VDD.
Los sensores giroscópicos MEMS utilizan miden la velocidad a través del efecto Coriolis.
Estos sensores tienen la principal ventaja de ser muy inmunes a la vibración, pero tienen como principal desventaja una deriva en la salida obtenida. Esta deriva hace que si necesitamos calcular el ángulo a través de integración obtenemos un error sistemático que hace que le medición del ángulo tienda a infinito. Debido a esto se usa el acelerómetro para corregir esta deriva.
Acelerómetro
Luego de realizar distintas pruebas sobre distintos sensores de aceleración, se optó por el ADXL345. Por su excelente relación costo-beneficio. Este sensor al igual que el anterior es de tipo MEMS.
El sensor ADXL345 contiene salida digital a través del bus
o SPI, brindando una resolución de 13 bits por cada eje y hasta un rango de
. Su resolución tanto como su rango son programables y puede discernir hasta 1.0º de inclinación utilizando la configuración de máxima resolución.
Una de las principales desventajas de los acelerómetros es su alta sensibilidad a las vibraciones, lo que hace que su uso como inclinómetro nos permite solo hacer mediciones a largo plazo de la inclinación.
Circuito de montaje de los sensores
Driver de motores ESC
Los controladores de los motores (ESC, Electronic Speed Controller) permiten regular la potencia suministrada a cada motor. Para controlar la potencia de los motores utiliza una señal servo convencional: un tren de pulsos cuadrados de período T y ciclo de trabajo W variable (0 % y 100 % respectivamente).
Inicialmente se optó por diseñarlos, se propuso un esquemático compuesto por 6 MOSFETs, un microcontrolador que haga de interfaz con el exterior y que excite a los MOSFETs. Luego se procedió a la búsqueda de los componentes y encontramos un impedimento al no conseguir los MOSFETs de estas características(100A, 12V) en el mercado local. Al tener que importarlos, se comenzó con el análisis de costo-beneficio y resultó ser mas conveniente utilizar los ESC disponibles en el mercado, ya que cumplen con los requisitos necesarios para el proyecto.
Los controladores elegidos también son RCTimer de 30A. Se alimentan con una tensión que se pueda formar con celdas LiPo que en este caso se conectan en serie para lograr un voltage de 11.1V. La conexión al motor tiene tres cables (motor brushless).
Características:
- Voltage de entrada:DC 6-16.8V(2-4S Lixx)
BEC:5V 2amp
- Corriente de trabajo: 30A (Output: Continuous 30A, Burst 40A up to 10 Secs.)
- Dimensiones: 36mm (L) * 26mm (W) * 7mm (H).
- Peso: 32g.
La frecuencia de trabajo que se utilizó es de 200Hz, ya que era lo suficiente para cerrar el lazo de control.
Conexión inalámbrica
Para controlar el QA3 ya sea a través de un joystick, de una cámara o algún sensor externo, es necesario algún medio de comunicación inalámbrico. Se analizaron las opciones disponibles en el mercado y se optó por utilizar una conexión Wi-Fi(802.11). Este tipo de conexión permite conectarse directamente a otra PC, o a un router donde pueden existir muchas PCs conectadas, evitando así, hardware extra en la PC que realice el control a largo plazo.
El módulo utilizado es el WiFly GSX. Es un sistema embebido que brinda una solución completa de acceso wireless, requiriendo únicamente 4 pines de conexión (POWER, TX, RX, GND) para ser utilizado. Una vez que la configuración ha sido establecida, el módulo puede acceder automáticamente a una red WiFi y comenzar a enviar/recibir paquetes, a través de datos serie.
Desde el microcontrolador funciona de modo transparente, donde la conexión es exactamente igual a una configuración null modem sin handshaking.
El módulo WiFly GSX (RN-131C) es una completa solución embebida de ultra bajo consumo para TCP/IP. La WiFly GSX es un módulo de red wireless 802.11b/g embebido independiente. La combinación de ultra bajo consumo y la habilidad de auto despertarse, conectarse a una red wireless, enviar datos y volver al estado de dormida en menos de 100ms, le permiten a la WiFly GSX funcionar por años con 2 baterías estándar AAA. Usando solo 100 mW cuando está despierta y 10 uW cuando esta dormida, esta marcada eficiencia de potencia, hace posible una nueva clase de dispositivos con internet disponible.
El módulo WiFly GSX incorpora una radio de 2.4GHz, procesador, stack TCP/IP, reloj en tiempo real, acelerador de encriptación, manejo de potencia y interfaz con sensores analógicos. Esta solución completa esta pregrabada con software para simplificar la integración y minimizar el desarrollos de las aplicaciones. En la configuración más simple el hardware requiere solo 4 conecciones (PWR, TX, RX, GND) para crear una conexión de datos wireless. El rango de alcance puede ser de 100m, dependiendo de las condiciones del entorno.
Características
- Ultra bajo consumo, 100mWatt activa, 10uWatt modo reposo
- Tasa de transferencia con el host de hasta de 100 Mbps para SDIO, 44 Mbps para SPI y 2.7 Mbps para UART
- Salida de 1 Mbps con TCP/IP y WPA2
- Interface de hardaware UART
- 10 entradas salidas de propósito general
- 8 interfaces analógicas para sensores
- Reloj en tiempo real para despertarse y dormirse automaticamente y para medición de instantes de tiempo
- Acepta 3.3VDC regulados o 2-3VDC desde una batería
- Soporta conexión ad-hoc
- Configuración a través de las interfaces UART o wireless usando simples comandos ASCII
- Actualización del firmware a través del aire, y a través de un archivo
Autenticación WiFi segura WEP-128, WPA-PSK (TKIP), WPA2-PSK, EAP-TLS para WPA1 & WPA2 Enterprise
- Aplicaciones de red incorporadas, DHCP, UDP, DNS, ARP, ICMP
Diagrama en bloques
En la figura siguiente se muestra el diagrama en bloques interno del módulo wirelesss.
Circuito Esquemático
El circuito esquemático utilizado se muestra en la siguiente figura.
Comunicación
La comunicación entre el micro y la wifly se realiza a través de la UART, con la misma configurada a 115200 bps, sin control de flujo, con 8 bits y sin paridad.
La comunicación entre la PC y la wifly se realizó a través de wifi, utilizando el protocolo UDP. También se podría haber utilizado el protocolo TCP, pero consideramos más importante obtener una baja latencia en la comunicación.
La red wireless se configuró en el modo ad hoc. Una red ad hoc es aquella en la que no hay un nodo central, sino que todos los dispositivos están en igualdad de condiciones. Se eligió este modo porque además de ser el más sencillo para el armado de una red, es el que viene configurado por defecto en el módulo wifly.
Placa Base
Por último de construyo una placa base sobre la cual se montaron todos los componentes nombrados anteriormente. El circuito esquemático se muestra en la figura siguiente.
Como se puede apreciar en la misma, vemos 4 conectores para los PWM de los motores, un regulador para obtener desde la tensión de 11.1V de las baterías los 5V necesarios para la alimentación, también vemos un conector para la placa adaptadora de los sensores mems, leds indicadores y por último el módulo wireless.
