Tutorial 3

En este tutorial voy a comentar algunos de los montajes eléctricos básicos que se puede implementar en los robots Andromina versión OFF ROAD y versión ON ROAD. El esquema eléctrico del robot puede ser muy simple o muy complejo. Esto dependerá de las funciones que queramos que haga nuestro robot y el dinero que queramos invertir. Ya que en el mercado hay muchos productos que se pueden acoplar a nuestra plataforma robótica. Aquí hemos usado componentes bastante económicos y simples. Intentando invertir en componentes electrónicos con un muy buen ratio calidad precio.

Robot con un Arduino UNO

El principal problema que nos vamos a encontrarnos para el diseño del esquema eléctrico es la alimentación de los servo-motores. Ya que los 4 servos consumen una potencia de 250mA cada uno más o menos. Esta potencia no puede ser proporcionada por el Arduino directamente, ya que Arduino UNO solo nos da unos 500mA y Arduino MEGA solo nos da unos 800mA. Tenemos que alimentar los servos directamente desde la batería de 7,2 voltios o a través de un regulador de voltaje de 5v, si tenemos una alimentación de 12v. También tenemos que prever si queremos conectar otros servo motores a nuestro robot.

A continuación enumeramos los diferentes esquemas eléctricos que vamos a comentar: 

1. Esquema eléctrico con un Arduino UNO y una placa prototipo.
2. Esquema eléctrico con un Arduino UNO y una "proshield".
3. Esquema eléctrico con un Arduino UNO y una placa hecha por nosotros mismos.
4. Esquema eléctrico con una placa Lseeduino o una Freaduino UNO.
5. Esquema eléctrico con un Arduino UNO y una placa controladora de 16 servos.
6. Esquema eléctrico con un Arduino MEGA y una placa de sensores.

1-Esquema eléctrico con un Arduino Uno y una placa prototipo:

Este es el esquema más básico y económico con los que podemos gobernar nuestra plataforma robótica. Si se usa un Arduino UNO, este montaje solo nos permitirá controlar los 4 motores de tracción de las ruedas y los 4 servos direccionales  Ya que Arduino UNO solo tiene 6 salidas PWM para controlar 6 dispositivos. Si se quieren controlar más servos se tiene que realizar uno de los esquemas más complejos, propuestos más abajo.

Diagrama del esquema eléctrico con una protoboard.

Este montaje tiene los siguientes componentes:

• Una placa  Arduino UNO.
• Una placa controladora de motores Keyes L298.
• Un "shield" Keyes 5.1 para el UNO y una placa prototipo.
• Un condensador de 1500uF 16v.
• Una o  dos baterías de 7,2 Voltios. Con 6 pilas de 1.2 V.
• Cuatro cables eléctricos triples macho - macho.

Placa controladora de los 4 motores (Keyes L298)

Los 4 motores del robot los controlamos a través de una placa de doble puente H (keyes L298). Hay muchos modelos de este tipo de placas, en el mercado. Hemos elegido este por su relación calidad precio. Esta placa es muy económica y funciona correctamente. Con esta placa solo podemos alimentar las ruedas a pares. No podemos alimentar las 4 ruedas independientemente. Vamos a alimentar las dos motores de la izquierda con el mismo canal y las dos ruedas derecha con el otro canal. Esto nos limitara un poco las maniobras posibles del robot.
Si se monta una placa de 4 canales independientemente. Podríamos por ejemplo hacer girar el robot respecto a una rueda. Una rueda parada y las otras tres en movimiento y girando.
En la figura de más abajo se muestra el robot Andromina con el "shield" y la placa prototipo ya montadas. Este es el montaje que se propone en esta sección. Aquí se alimenta los 4 servos directamente de la batería a 7,2v.

Arduino Uno  con una placa prototipo

2-Esquema eléctrico con un Arduino UNO y una "proshield"
Este esquema eléctrico es muy parecido al anterior. La única diferencia es que vamos a modificar la "shield" Keyes 5.1 para controlar y alimentar a los 4 servos que controlan el giro de las ruedas. Vamos a añadir un circuito con un regulador de voltaje para alimentar a 5v los 4 servos direccionales.

Diagrama del esquema eléctrico.

Este montaje tiene los siguientes componentes:

• Una placa  Arduino UNO.
• Una placa controladora de motores Keyes L298 de 2 canales.
• Un "shield" Keyes 5.1.
• Un regulador de voltaje L7805CV. 5v.
• Cuatro conectores macho de paso 2.5mm para Arduino con 3 pines.
• Un condensador cerámico de 0,1uF.
• Un condensador cerámico de 0,33uF.
• Un condesador electrolítico de 1000uF 6,3v o superior.
• Un refrigerador o chapa de aluminio.
• Una batería de litio de 12,6V (9.800mAh).

Componentes de la "shield"

Este montaje da muy buen resultado, nos queda la placa muy bien ensamblada, tal y como se ve en la foto siguiente. el regulador de voltaje se tiene que refrigerar o con un refrigerador de aletas comercial, ver foto superior, o también podemos fabricarnos un refrigerador con una chapa de aluminio, tal y como se ve en el apartado siguiente.

La "shield" para los servos ya ensamblada.

Consejo: Al realizar el programa tenemos que tener en cuenta que los 4 servo motores no se accionen al mismo momento. Va bien colocar "delay(50);" retrasos entre los movimientos de los 4 servo motores. De esta manera el consumo de electricidad es más continuo y no provoca picos de demanda. Estos picos causan una bajada excesiva de tensión en la placa, dejando a Arduino sin voltaje suficiente, dando fallo. La placa se vuelve a reiniciar por bajo voltaje.
En este caso la función "delay()" no sirve para que el accionado de los 4 servos sea escalado. Pero los programas que usan esta función no son muy óptimos, ya que mientras se esta ejecutando el "delay()" el micro procesador esta parado. Lo mejor sería no usar "delays()" y usar otro tipo de función, tal como la interrupción tipo "timer()"  que hacen lo mismo que las interrupciones de hardware, pero en lugar de dispararse cuando se cumple un cierto proceso hardware en uno de los pines, se dispara cuando ha transcurrido un tiempo preciso, previamente programado.

3-Esquema eléctrico con un Arduino UNO y una placa hecha por nosotros:

Este esquema es muy parecido a los dos anteriores. La única diferencia es que vamos a construir una placa para controlar y alimentar a los 4 servos que controlan el giro de las ruedas.
Este montaje tiene los siguientes componentes:

• Una placa  Arduino UNO.
• Una placa controladora de motores Keyes L298 de 2 canales.
• Una placa perforada de circuito impreso universal.
• Conectores macho de paso 2.5mm para Arduino, 
• Un condensador cerámico de 0,1uF.
• Un condensador cerámico de 0,33uF
• Un condensador electrolítico de 1000uF 6,3v o superior.
• Un regulador de voltaje L7805CV. 5v.
• Un disipador de calor, para convertidor de voltaje.
• Una o  dos baterías de 7,4 Voltios. Con 6 pilas de 1.2 V.

En la fotografía inferior se muestra todos los componentes para ensamblar la placa de los servomotores.

Componentes de la placa de alimentación de los 4 servo motores

A continuación se muestra las placa de alimentación de los 4 servomotores ya ensamblada. Podemos ver las hileras de pines donde se conectaran los conectores de los 4 servomotores. En la foto se puede ver que hemos indicado la hilera de pines positivos con un signo "+" y la hilera de pines negativos con un signo "-".

Placa de alimentación de los servos montada.

Como puede verse en las fotografías se ha construido un disipador de temperatura a partir de una cha de aluminio de 2mm y de un perfil de aluminio en forma de U. Este disipador térmico casero sirve para refrigerar el regulador de voltaje de 5v. Ya que al ir activando los servo motores este disipador va aumentado de temperatura y es muy fácil que se dañe por las altas temperaturas a que llega. Es aconsejable siempre poner disipadores térmicos, ya que los componentes electrónicos funcionan mucho mejor a temperatura ambiente. Esta es una solución económica y simple. También en el mercado se vende infinidad de disipadores térmicos de todos los tamaños. Solo tenemos que selección cual es el más indicado para nuestra aplicación.

Vista posterior de la placa de servos.

4-Esquema eléctrico con una placa Lseeduino o una Freaduino UNO.
En este montaje usamos una placa  Lseeduino UNO.  También hay otra placa con las mismas características llamada Freaduino UNO. Son unas placas clónicas mejoradas. Lo que tienen de especial estas placas es que podemos conectar los 4 servo motores directamente a la placa. Ya que estas placas ya están preparadas con tres hielas de pines machos. Una hiela es para las salidas y entradas de la placa y las otras dos hielas suministran un voltaje de 5v y masa. También pueden suministrar más mili amperios que un Arduino UNO original. En el pin +5v puede suministrar hasta 2 Amperios.  Estas placas simplifican mucho el esquema eléctrico del robot Andromina. Tal y como se puede ver en el diagrama siguiente.

Diagrama del esquema eléctrico con una placa Lseeduino

En la foto siguiente se puede ver el robot Andromina con un Lseeduino UNO y una placa controladora de motores CC de 2 canales. El montaje se ha simplificado y queda el cableado mucho más ordenado.

El robot Andromina con un Lseeduino UNO.

Esquema eléctrico del robot con Freaduino o Lseeduino.

Truco : Un truco que se puede realizar en este montaje, es unir uno de los dos conectores +5v de la placa de motores y el conector +5v de Arduino, ver foto siguiente. De esta manera alimentamos los servomotores también con el regulador de voltaje que tiene la placa de motores L298n. de esta manera tenemos más amperios para suministrar a todos los componentes, del orden de 0.5 a 0.8 amperios más, depende de la placa de motores usada. Con esto debemos de ir con cuidado ya que estamos forzando nuestra placa Arduino.

Puente de +5v entre las dos placas y el condensador de 6,3v

Para que este esquema eléctrico funcione correctamente se ha añadido dos condensadores electrolíticos uno de de 16V 1500mF y el otro de 6,3v 1500mF. Ya que el consumo de los 4 motores CC y el consumo de los 4 servos es elevado, el condensador de 6,3v suministra energía justo en el inicio del accionamiento de los 4 servos y el condensador de 12v cuando se accionan los 4 motores de CC. De  esta manera tenemos un voltaje más estable en la placa.  En la foto siguiente se puede ver el condensador montado en la placa L298n.

Condensador de 16v en la placa L298n.

El condensador de 16v se ha añadido a la entrada de la placa de los motores CC y el condensador de 6,2v entre los pines de 5v y GND del Lseeduino UNO. Si no se añade este último condensador, al accionar los 4 servos el voltaje en la placa baja por debajo de los 5 voltios y el chip del Lseeduino se resetea y se reinicia por falta de voltaje. Provocando un error. Con estas caídas de tensión debemos de ir con cuidado ya que podríamos dañar el Arduino.
Como ya se a comentado anteriormente, para mejorar el funcionamiento de los 4 servos es bueno poner unos pequeños delays(30) (en el programa) al accionar cada servomotor, para que los 4 servos no se activen a la vez. Así el voltaje de alimentación es más estable.
En este enlace se puede encontrar toda la información sobre la placa Freaduino UNO, muy similar a la Lseeduino UNO :   Freaduino UNO.

En el Internet hay muchos tipos y muchos proveedores diferentes de módulos de control de motores L298N . A continuación muestro un módulo parecido al anterior, pero este es de reducido tamaño y aún más económico. El cual funciona correctamente. De este tipo demódulos hay muchas variantes y modelos pero casi todos se perecen mucho ya que usan el mismo xip y casi los mismos componentes.

Conexiones del Módulo L298N pequeño.

En el esquema eléctrico siguiente se muestra otra variante del módulo L298N de reducido tamaño usado para alimentar los 4 motores del robot Andromina.  Aquí hay un tutorial de uso del Módulo L298N.

Esquema del robot con el módulo L298N de reducido tamañao. 

5-Esquema eléctrico con un Arduino UNO y una placa controladora de 16 servos:

Diagrama del esquema eléctrico con controlador de servos.

Este montaje tiene los siguientes componentes:

• Una placa  Arduino UNO.
• Una placa controladora de motores Keyes L298.
• Una placa controladora de 16 servos Torobot.
• Una o  dos baterías de 7,4 Voltios. Con 6 pilas de 1.2 V. 

Placa controladora de 16 servos.

6-Esquema eléctrico con un Arduino MEGA y una "Shield" de sensores :
Este esquema eléctrico del robot ya empieza a ser un esquema eléctrico complejo. En este montaje se han usado componentes electrónicos muy económicos. Pero han dado muy buen resultado. Y con este montaje el robot Andromina puede dar todo su potencial y tenemos muchos pines libres para conectar todo tipo de accesorios a la "shield". Tales como módulos Xbee, más servomotores, Encoders de las ruedas, todo tipo de sensores y componentes etc... A continuación se muestra la "shield" que se ha usado en este montaje.

Arduino Mega shield

A continuación muestro el esquema completo de robot Andromina 4x4 con todos sus componentes básicos. En este ejemplo hay un sensor de IR para la comunicación entre el usuario y el robot. Que se realiza a través de un mando a distancia. Pero con este esquema mismo podríamos implementar otro tipo de comunicación entre el Arduino y el usuario. Por ejemplo colocar un módulo Bluetooth o un módulo XBee o un módulo de radiofrecuencia  O cualquier otro tipo de módulo de comunicación. También podría no colocar ningún módulo de comunicación y tendríamos un robot totalmente autónomo.

Esquema eléctrico con un Arduino MEGA del robot Andromina.

En la foto inferior se muestra la placa controladora L298N de 4 canales independientes. Esta placa puede controlar los 4 motores  de CC independientemente. La placa de motores roja que se muestra más arriba solo puede controlar los motores dos a dos, en cambio esta podemos controlar los 4 motores con velocidades totalmente diferentes entre ellos. Con poco dinero se ha logrado tener un robot 4x4 que se puede configurar de mil maneras. En el mercado hay gran variedad de "shields" mucho más costosas que la que sea colocado en este montaje. Con poco dinero gastado tenemos gran cantidad de posibilidades. Ahora ya podemos hacer un "sketck" de Arduino como los profesionales.

Placa controladora de motores L298N de 4 canales.

Truco ; Aquí también usaremos el regulador de voltaje L7805CV de 1.5 amperios que lleva la placa de los 4 motores, para alimentar la "shield" de Arduino de los sensores. Conectaremos los conectores de +5v y de GND de la placa de los motores con los dos conectores de la "Shield", el conector Vcc y el conector GND. De esta manera alimentamos los servos y todos los accesorios a 5v a través del Arduino y de la placa de motores L298n, logrando tener más amperios para alimentar todos los componentes que se conectan a la "Shield". Esta conexión se puede ver en la foto siguiente y en el esquema eléctrico más abajo.
Consejo ; Colocar un condensador de 6.3v y 1800microF en los pines de +5v y GND de la "Shield" de sensores para que el voltaje de la placa sea más estable. Al accionar los servos y los componentes que alimenta la "Shield", el voltaje decae y puede dejar sin alimentación suficiente al Arduino. También es bueno colocar otro condensador de 16v y 1500microF en los dos pines de Vcc y GND de entrada de la "Shield".

Conexión de +5v y GND entre la placa de motores y la "shield" de Arduino MEGA.

Tornillo de sujeción del regulador al refrigerador.

Consejo ; Poner el tornillo que sujeta el regulador de voltaje L7805CV  a la placa de refrigeración, que lleva la placa de control de los motores, para que no se caliente demasiado el convertido de voltaje de 5v. Este tornillo no viene de serie y es aconsejable ponerlo, ya que sino el regulador se calienta mucho. Esto se puede ver en la foto superior.
A continuación se muestra el esquema completo del robot Andromina con un Arduino MEGA más un "shield" y la placa controladora de los 4 motores con 4 canales.