REVISTA

JUVENTUD Y CIENCIA SOLIDARIA:

En el camino de la investigación

Prototipo de vehículo

a control remoto

Yarel Isaías Orozco Saltos, Freddy Efraín Potes Naranjo,

Sara Esther Balladares Flor, Alan Steve Guerrero Véliz

Mi nombre es Yarel Isaías Orozco Mi nombres es Freddy Efraín Potes Saltos, tengo 17 años y estudio Meca- Naranjo, tengo 17 años y estudio Meca-trónica en segundo año de BGU del colegio trónica en segundo año de BGU del colegio

Domingo Comín. Me gusta leer y quiero Domingo Comín. Me gusta leer. Quiero

estudiar Mecatrónica en la universidad. estudiar Mecatrónica en la universidad.

Mi nombre es Sara Esther Balladares Mi nombres es Alan Steve Gue-Flor, tengo 17 años y estudio Mecatrónica rrero Véliz, tengo 17 años y estudio en segundo año de BGU del colegio Domingo Mecatrónica en segundo año de BGU

Comín. Me gusta diseñar. Quiero estudiar del colegio Domingo Comín. Me gusta

Ciencias de datos e inteligencia artificial en programar y quiero estudiar Ingeniería de

la universidad. Sistemas en la universidad.

Resumen

En este proyecto se presenta el diseño, desarrollo automóvil combina señales de RF (Radiofrecuencia)

y evaluación de un prototipo de vehículo a control de 433MHz, dentro del espectro electromagnético,

remoto que utiliza la transferencia inalámbrica de antenas, controladores de motores, drivers, codifi-

energía (WPT) para la generación de movimiento. El cador y decodificador serial, fusionando elementos

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En el camino de la investigación 45

electrónicos con mecánicos como chasis, ruedas y motor de 4 canales push-pull capaz de suministrar

motores. Este artículo integra los fundamentos de corrientes de salida de 1A por canal.

electrónica, radiofrecuencia, WPT, y la incorporación Materiales para el control remoto:

de sistemas de control y propulsión a través de un • 1 Módulo Tx. de 433MHz motor en un diseño compacto y eficiente. Concluido

el ensamblaje se prueba el prototipo, verificando su • 1 Circuito integrado HT12E

correcto funcionamiento. Se valida la integración de los • 1 resistencia de 1MW componentes y la eficiencia del sistema. Los resultados

confirman la factibilidad del desarrollo de un prototipo • 2 Pulsadores NA

operativo que se desplaza mediante la Transferencia Materiales del carro:

Inalámbrica de Energía (WPT). • 1 Circuito integrado HT12D

Palabras • 1 Circuito integrado L293B clave: prototipo, circuito integrado

codificador-decodificador, radiofrecuencia, motores • 1 Receptor Rx de 433MHz

• 1 Regulador de voltaje LM7805

Explicación del tema

• 1 Condensador electrolítico de 1000uF/16v

integra conocimientos de ingeniería, electrónica, infor- • 1 Condensador electrolítico de 100uF/16v La mecatrónica es una rama multidisciplinaria que

mática y sistemas de control para diseñar, fabricar y • 1 Transistor BC327(PNP)

operar sistemas inteligentes con el uso combinado de • 1 LED la robótica, de la ingeniería electrónica y la ciencia de

la computación/sistemas. • 1 Resistencia de 10kW

Para el desarrollo de este prototipo se utiliza un • 1 Resistencia de 50kW

diagrama esquemático con todos los elementos que

integran el circuito electrónico y que después se imple- • 1 Resistencia de 330W

mentarán e integrarán en la PCB (Placa de Circuito • Alambre de cobre esmaltado (tamaño del alam-

Impreso). Entre los componentes que integran este bre: 30cm)

prototipo se encuentran: El diagrama de bloques de la arquitectura del mó- es una unidad compacta que Motor reductor: dulo Tx propuesta se muestra en la Fig. 1. El Tx integra un reductor de velocidad, a través de un motor incluye un oscilador controlado por voltaje (VCO) de en una sola pieza y se alimenta con voltaje de co- frecuencia básica con una unidad de búfer de salida, rriente continua (DC). Su función principal es reducir un pre-escalador de módulo 128 y una etapa de salida la velocidad de un equipo de manera automática. de PA (Amplificador de potencia). La salida del bloque

433MHz: son dispositivos inalámbricos que funcionan PLL externo que regula la frecuencia de salida del Tx como transmisores (TX) y receptores (RX), permi- Módulos de radiofrecuencia (RF) de de pre escalado sirve como entrada para un módulo

[1].

tiendo la comunicación entre procesadores como Ar-

duino de manera inalámbrica. Sirve para transmitir

datos en UHF, se puede montar en circuito impreso

(PCB) o en un protoboard.

Circuito Integrado HT12E: es un codificador

serial de datos para aplicaciones de control remoto.

Circuito Integrado HT12D: es un decodificador

serial de datos para aplicaciones de control remoto. Figura 1. Diagrama de bloques del transmisor de banda

Circuito Integrado L293B: es un driver para D propuesto Fuente: [1]

46 Juventud y Ciencia Solidaria

El módulo Tx dentro del diagrama esquemático La transmisión se facilita convirtiendo señales para-

juega un papel crucial en la conversión de una señal lelas en bits en serie. El codificador HT12E toma los

digital en una señal de radiofrecuencia (RF) adecuada datos de entrada, que pueden provenir de pulsadores

para la transmisión a través de la antena. Los elemen-o interruptores en el control remoto, y los convierte

tos que componen el módulo Tx incluyen: VCO, Buffer, en un código digital único que incluye información de

PA, PLL, fDIV y Prescaler. dirección (para identificar el control remoto específico)

El VCO se encarga de generar una señal de ra-y datos de control (para indicar qué botón se presionó).

diofrecuencia portadora, siendo ajustable su frecuencia El código digital codificado se envía a través del

mediante control de voltaje. El buffer sirve para aislar transmisor RF. Este módulo agrega la señal codificada

el VCO y aumentar la señal de salida. Luego, el PA a una portadora de radiofrecuencia (RF) para permitir

amplifica la señal a un nivel adecuado para la trans-la transmisión inalámbrica. Las señales transmitidas

misión a través de la antena. El PLL garantiza una son recibidas por el módulo receptor colocado lejos de

generación de frecuencia estable, mientras que el fDIV la fuente de transmisión.

divide la frecuencia en la frecuencia portadora deseada. Los bits de datos son proporcionados por señales

El Prescaler, sin embargo, sirve para dividir la fre-en los pines 10 a 13 del HT12E. El pin 17 del HT12E se

cuencia de la señal de entrada en el circuito de bucle utiliza para alimentar los datos en serie al transmisor

de enganche de fase (PLL), mejorando así su precisión. de RF; con respecto al pin 14, estará activo en nivel

Para generar ondas electromagnéticas transmitidas bajo y se utilizará para conectar a tierra el control.

a través del aire, se convierte la señal eléctrica de RF Los datos recibidos se introducirán en la unidad del

del módulo Tx. El diagrama esquemático que se mues-controlador [2].

tra en la Fig. 1, presenta un circuito de adaptación de El uso de un par codificador HT12E y decodificador

impedancia que conecta la antena al amplificador de HT12D junto con un transmisor y receptor RF es una

potencia (PA). forma común de implementar un sistema de control

En este caso, su principal objetivo es garantizar remoto inalámbrico simple pero efectivo.

que la impedancia de la antena coincida con la del PA, Algunas ventajas que nos brinda el uso de estos

ya que facilita el intercambio de energía efectivo entre elementos es que son relativamente económicos y no

las dos partes. necesitan de un microcontrolador para funcionar, lo

Los datos paralelos, que contienen bits de direc-que representa una solución factible para simplificar

ción y bits de control, son recibidos por el codificador el diseño de proyectos básicos de control remoto.

IC (HT12E). Las salidas son señales de control de los El funcionamiento descrito se puede visualizar en

datos. el siguiente diagrama de bloques (Figura 2).

Figura 2. Diagrama de bloques

Fuente: Autores

En el camino de la investigación 47

La transferencia inalámbrica de energía (WPT, por puente de impedancia.

sus siglas en inglés), permite nuevas posibilidades para Es por ello, que en el circuito se implementó el

alimentar dispositivos móviles con energía eléctrica. uso de cobre esmaltado para las antenas, ya que este

Esto se debe a que la eliminación de cables, anillos material ofrece las características ideales para garanti-

rozantes, enchufes y tomas de corriente aumenta la zar una transferencia de energía eficiente y confiable

fiabilidad y el funcionamiento sin mantenimiento de sis- en nuestro sistema WPT. Su alta conductividad mini-

temas críticos en aplicaciones biomédicas, de vehículos miza las pérdidas de energía durante la transmisión y

eléctricos y robótica [3]-[4]. recepción de señales de radiofrecuencia (RF).

Al ser una tecnología propuesta recientemente, la

resonancia electromagnética por radiofrecuencia (RF) El proyecto avanza hacia la introducción del con-

se presenta como un sistema WPT de media distancia trol de motores paso a paso (Figura 3). Para facilitar

altamente eficiente [5]. Esta tecnología permite trans- la comprensión, se construye un modelo de un mo-

ferir energía de hasta cientos de vatios a una distancia tor bipolar utilizando dos solenoides y una aguja de

de 1 metro [6]. brújula [8].

La estructura y el mecanismo básico del sistema de

transferencia de energía por resonancia se muestran en

la Fig. 2. Consiste en una fuente de alimentación de

RF, una bobina de antena L1 y una bobina receptora

L2. Ambas bobinas forman un sistema de inductores

acoplados magnéticamente [7].

Figura 4. Modelo de motor paso a paso

Fuente: [8]

Figura 3. Diagrama esquemático del sistema de transfe-rencia de energía inalámbrica superconductora (SUWPT) Al energizar los solenoides en una secuencia especí-

basado en el método de acoplamiento por resonancia mag- fica, se genera un campo magnético cambiante que in-

nética duce un movimiento de rotación en la aguja de brújula,

Fuente: [6]

simulando el movimiento paso a paso característico de

El sistema de transferencia de energía por resonan-este tipo de motores.

cia se describe mediante símbolos como RS (resistencia

interna de la fuente), R1 (resistencia de la bobina de

antena), R2 (resistencia de la bobina superconductora

de alta temperatura - HTS), RL (resistencia total del Explicación del proceso

receptor), C2 (condensador de la bobina receptora),

k12 (coeficiente de acoplamiento) y M12 (inductancia Para la construcción del vehículo se procedió a elaborar

mutua de las bobinas). dos antenas de cobre para la señal en la que operará,

Además, para compensar los cambios de impedan-luego enrollamos las antenas alrededor de un lápiz y

cia entre las bobinas debido a la variación de la dis- formamos un resorte, para posteriormente soldar el

tancia, se utilizan una resistencia variable (Rvar) y cobre a los módulos Rx y Tx. En la Fig. 4 se observa

una inductancia variable (Lvar) que actúan como un el proceso de soldadura.

48 Juventud y Ciencia Solidaria

Posteriormente, se adecuaron los cables UTP para

facilitar el manejo y la estética (Figura 7).

Figura 5. Proceso de soldadura

Fuente: Autores

Se utilizó la herramienta PROTEUS para el diseño Figura 7. Montaje del mando Transmisor

Fuente: Autores

del circuito, empezando por el mando (transmisor)

siguiendo las conexiones del diagrama esquemático Se diseñó en Tinkercad un portabaterías en 3D

(Figura 6). para facilitar la ubicación de una batería de 9V DC y

se lo instaló en el protoboard (Figura 8).

Figura 8. Soporte de portabaterías

Fuente: Autores

Figura 6. Como siguiente paso, se realizó el diseño del circuito Mando Transmisor

Fuente: Autores receptor (Figura 9).

Figura 9. Receptor

Fuente: Autores

En el camino de la investigación 49

Posteriormente, se efectuó el montaje de los com-

ponentes paso a paso del circuito receptor, tal como

se observa en la Figura 10.

Figura 12. Vehículo con el mando a control remoto

Fuente: Autores

Las pruebas realizadas permitieron evaluar el co-

rrecto funcionamiento del transmisor y receptor. Se

validó la integración de los componentes y la eficiencia

del sistema.

Conclusiones

Figura 10. Circuito receptor

Fuente: Autores A través del presente artículo se pudo alcanzar el obje-

tivo que era desarrollar un vehículo a control remoto.

para probar el funcionamiento del vehículo usando el protoboard (falsos contactos, falta de energía y com- control remoto, más tarde se colocaron las ruedas para ponentes desgastados), la experiencia de construir un que tenga mejor equilibrio, tal como se observa en la carro a control remoto ha sido enriquecedora. Seguidamente se añadieron los motorreductores y los errores encontrados al probar el prototipo en un Pese a las dificultades con la adquisición de materiales

Fig. 11. El desarrollo del prototipo destacó la viabilidad téc-

nica de utilizar la Transferencia Inalámbrica de Energía

(WPT) como sistema de suministro de energía para

vehículos a control remoto. Los resultados evidencian

una correcta operación de los componentes electrónicos

y mecánicos, así como la eficiencia del sistema.

Agradecimientos

Agradecemos a la Cátedra UNESCO por abrirnos las

puertas para potenciar nuestros conocimientos y así

aportar en nuestra formación, también le damos gra-

cias a Dios, a María Auxiliadora y a Don Bosco por

ser nuestra inspiración para seguir adelante y a la co-

munidad Salesiana presente en las instituciones que

Figura 11. Vehículo con motorreductores conmemoran su nombre. Fuente: Autores

Referencias

Finalmente, se manipuló el mando y se alimenta-[1] E. Aguilar, V. Issakov, y R. Weigel, «A 130

ron los circuitos con las baterías para comprobar el GHz Fully-Integrated Fundamental-Frequency D-

correcto funcionamiento (Figura 12). Band Transmitter Module With > 4 dBm Single-

50 Juventud y Ciencia Solidaria

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the linear voltage regulator LM7805: before and ducting receiver at 77K with 13.56 MHz under

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IEEE Wireless Power Transfer Conference

ponents and Systems (RADECS), IEEE, 2019, pp. (WPTC), IEEE, 2020, pp. 244-247.

1-5.

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nics Systems (ICCES) , IEEE, 2017, pp. 712-715. [8] S. Kocijancic, «Mechatronics as a challenge for

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