REVISTA JUVENTUDYCIENCIASOLIDARIA: Enelcaminodelainvestigación Prototipodevehículoacontrolremoto YarelIsaíasOrozcoSaltos,FreddyEfraínPotesNaranjo,SaraEstherBalladaresFlor,AlanSteveGuerreroVéliz Minombrees YarelIsaíasOrozco Saltos ,tengo17añosyestudioMeca- trónicaensegundoañodeBGUdelcolegio DomingoComín.Megustaleeryquiero estudiarMecatrónicaenlauniversidad. Minombreses FreddyEfraínPotes Naranjo ,tengo17añosyestudioMeca- trónicaensegundoañodeBGUdelcolegio DomingoComín.Megustaleer.Quiero estudiarMecatrónicaenlauniversidad. Minombrees SaraEstherBalladares Flor ,tengo17añosyestudioMecatrónica ensegundoañodeBGUdelcolegioDomingo Comín.Megustadiseñar.Quieroestudiar Cienciasdedatoseinteligenciaartificialen launiversidad. Minombreses AlanSteveGue- rreroVéliz ,tengo17añosyestudio MecatrónicaensegundoañodeBGU delcolegioDomingoComín.Megusta programaryquieroestudiarIngenieríade Sistemasenlauniversidad. Resumen Enesteproyectosepresentaeldiseño,desarrollo yevaluacióndeunprototipodevehículoacontrol remotoqueutilizalatransferenciainalámbricade energía(WPT)paralageneracióndemovimiento.El automóvilcombinaseñalesdeRF(Radiofrecuencia) de433MHz,dentrodelespectroelectromagnético, antenas,controladoresdemotores,drivers,codifi- cadorydecodificadorserial,fusionandoelementos 44
Enelcaminodelainvestigación 45 electrónicosconmecánicoscomochasis,ruedasy motores.Esteartículointegralosfundamentosde electrónica,radiofrecuencia,WPT,ylaincorporación desistemasdecontrolypropulsiónatravésdeun motorenundiseñocompactoyeficiente.Concluido elensamblajesepruebaelprototipo,verificandosu correctofuncionamiento.Sevalidalaintegracióndelos componentesylaeficienciadelsistema.Losresultados confirmanlafactibilidaddeldesarrollodeunprototipo operativoquesedesplazamediantelaTransferencia InalámbricadeEnergía(WPT). Palabrasclave: prototipo,circuitointegrado codificador-decodificador,radiofrecuencia,motores Explicacióndeltema Lamecatrónicaesunaramamultidisciplinariaque integraconocimientosdeingeniería,electrónica,infor- máticaysistemasdecontrolparadiseñar,fabricary operarsistemasinteligentesconelusocombinadode larobótica,delaingenieríaelectrónicaylacienciade lacomputación/sistemas. Paraeldesarrollodeesteprototiposeutilizaun diagramaesquemáticocontodosloselementosque integranelcircuitoelectrónicoyquedespuésseimple- mentaráneintegraránenlaPCB(PlacadeCircuito Impreso).Entreloscomponentesqueintegraneste prototiposeencuentran: Motorreductor: esunaunidadcompactaque integraunreductordevelocidad,atravésdeunmotor enunasolapiezaysealimentaconvoltajedeco- rrientecontinua(DC).Sufunciónprincipalesreducir lavelocidaddeunequipodemaneraautomática. Módulosderadiofrecuencia(RF)de 433MHz: sondispositivosinalámbricosquefuncionan comotransmisores(TX)yreceptores(RX),permi- tiendolacomunicaciónentreprocesadorescomoAr- duinodemanerainalámbrica.Sirveparatransmitir datosenUHF,sepuedemontarencircuitoimpreso (PCB)oenunprotoboard. CircuitoIntegradoHT12E: esuncodificador serialdedatosparaaplicacionesdecontrolremoto. CircuitoIntegradoHT12D: esundecodificador serialdedatosparaaplicacionesdecontrolremoto. CircuitoIntegradoL293B: esundriverpara motorde4canalespush-pullcapazdesuministrar corrientesdesalidade1Aporcanal.Materialesparaelcontrolremoto: • 1MóduloTx.de433MHz • 1CircuitointegradoHT12E • 1resistenciade1M W• 2PulsadoresNAMaterialesdelcarro: • 1CircuitointegradoHT12D • 1CircuitointegradoL293B • 1ReceptorRxde433MHz • 1ReguladordevoltajeLM7805 • 1Condensadorelectrolíticode1000uF/16v • 1Condensadorelectrolíticode100uF/16v • 1TransistorBC327(PNP) • 1LED • 1Resistenciade10k W• 1Resistenciade50k W• 1Resistenciade330 W• Alambredecobreesmaltado(tamañodelalam- bre:30cm) Eldiagramadebloquesdelaarquitecturadelmó- duloTxpropuestasemuestraenlaFig.1.ElTx incluyeunosciladorcontroladoporvoltaje(VCO)de frecuenciabásicaconunaunidaddebúferdesalida, unpre-escaladordemódulo128yunaetapadesalida dePA(Amplificadordepotencia).Lasalidadelbloque depreescaladosirvecomoentradaparaunmódulo PLLexternoqueregulalafrecuenciadesalidadelTx [1]. Figura1. Diagramadebloquesdeltransmisordebanda DpropuestoFuente:[1]
46 JuventudyCienciaSolidaria ElmóduloTxdentrodeldiagramaesquemático juegaunpapelcrucialenlaconversióndeunaseñal digitalenunaseñalderadiofrecuencia(RF)adecuada paralatransmisiónatravésdelaantena.Loselemen- tosquecomponenelmóduloTxincluyen:VCO,Buffer, PA,PLL,fDIVyPrescaler. ElVCOseencargadegenerarunaseñaldera- diofrecuenciaportadora,siendoajustablesufrecuencia mediantecontroldevoltaje.Elbuffersirveparaaislar elVCOyaumentarlaseñaldesalida.Luego,elPA amplificalaseñalaunniveladecuadoparalatrans- misiónatravésdelaantena.ElPLLgarantizauna generacióndefrecuenciaestable,mientrasqueelfDIV dividelafrecuenciaenlafrecuenciaportadoradeseada. ElPrescaler,sinembargo,sirveparadividirlafre- cuenciadelaseñaldeentradaenelcircuitodebucle deenganchedefase(PLL),mejorandoasísuprecisión. Paragenerarondaselectromagnéticastransmitidas atravésdelaire,seconviertelaseñaleléctricadeRF delmóduloTx.Eldiagramaesquemáticoquesemues- traenlaFig.1,presentauncircuitodeadaptaciónde impedanciaqueconectalaantenaalamplificadorde potencia(PA). Enestecaso,suprincipalobjetivoesgarantizar quelaimpedanciadelaantenacoincidaconladelPA, yaquefacilitaelintercambiodeenergíaefectivoentre lasdospartes. Losdatosparalelos,quecontienenbitsdedirec- ciónybitsdecontrol,sonrecibidosporelcodificador IC(HT12E).Lassalidassonseñalesdecontroldelos datos. Latransmisiónsefacilitaconvirtiendoseñalespara- lelasenbitsenserie.ElcodificadorHT12Etomalos datosdeentrada,quepuedenprovenirdepulsadores ointerruptoresenelcontrolremoto,ylosconvierte enuncódigodigitalúnicoqueincluyeinformaciónde dirección(paraidentificarelcontrolremotoespecífico) ydatosdecontrol(paraindicarquébotónsepresionó). Elcódigodigitalcodificadoseenvíaatravésdel transmisorRF.Estemóduloagregalaseñalcodificada aunaportadoraderadiofrecuencia(RF)parapermitir latransmisióninalámbrica.Lasseñalestransmitidas sonrecibidasporelmóduloreceptorcolocadolejosde lafuentedetransmisión. Losbitsdedatossonproporcionadosporseñales enlospines10a13delHT12E.Elpin17delHT12Ese utilizaparaalimentarlosdatosenseriealtransmisor deRF;conrespectoalpin14,estaráactivoennivel bajoyseutilizaráparaconectaratierraelcontrol. Losdatosrecibidosseintroduciránenlaunidaddel controlador[2]. ElusodeunparcodificadorHT12Eydecodificador HT12DjuntoconuntransmisoryreceptorRFesuna formacomúndeimplementarunsistemadecontrol remotoinalámbricosimpleperoefectivo. Algunasventajasquenosbrindaelusodeestos elementosesquesonrelativamenteeconómicosyno necesitandeunmicrocontroladorparafuncionar,lo querepresentaunasoluciónfactibleparasimplificar eldiseñodeproyectosbásicosdecontrolremoto. Elfuncionamientodescritosepuedevisualizaren elsiguientediagramadebloques(Figura2). Figura2. DiagramadebloquesFuente:Autores
Enelcaminodelainvestigación 47 Latransferenciainalámbricadeenergía(WPT,por sussiglaseninglés),permitenuevasposibilidadespara alimentardispositivosmóvilesconenergíaeléctrica. Estosedebeaquelaeliminacióndecables,anillos rozantes,enchufesytomasdecorrienteaumentala fiabilidadyelfuncionamientosinmantenimientodesis- temascríticosenaplicacionesbiomédicas,devehículos eléctricosyrobótica[3]-[4]. Alserunatecnologíapropuestarecientemente,la resonanciaelectromagnéticaporradiofrecuencia(RF) sepresentacomounsistemaWPTdemediadistancia altamenteeficiente[5].Estatecnologíapermitetrans- ferirenergíadehastacientosdevatiosaunadistancia de1metro[6]. Laestructurayelmecanismobásicodelsistemade transferenciadeenergíaporresonanciasemuestranen laFig.2.Consisteenunafuentedealimentaciónde RF,unabobinadeantenaL1yunabobinareceptora L2.Ambasbobinasformanunsistemadeinductores acopladosmagnéticamente[7]. Figura3. Diagramaesquemáticodelsistemadetransfe- renciadeenergíainalámbricasuperconductora(SUWPT) basadoenelmétododeacoplamientoporresonanciamag- néticaFuente:[6] Elsistemadetransferenciadeenergíaporresonan- ciasedescribemediantesímboloscomoRS(resistencia internadelafuente),R1(resistenciadelabobinade antena),R2(resistenciadelabobinasuperconductora dealtatemperatura-HTS),RL(resistenciatotaldel receptor),C2(condensadordelabobinareceptora), k12(coeficientedeacoplamiento)yM12(inductancia mutuadelasbobinas). Además,paracompensarloscambiosdeimpedan- ciaentrelasbobinasdebidoalavariacióndeladis- tancia,seutilizanunaresistenciavariable(Rvar)y unainductanciavariable(Lvar)queactúancomoun puentedeimpedancia. Esporello,queenelcircuitoseimplementóel usodecobreesmaltadoparalasantenas,yaqueeste materialofrecelascaracterísticasidealesparagaranti- zarunatransferenciadeenergíaeficienteyconfiable ennuestrosistemaWPT.Sualtaconductividadmini- mizalaspérdidasdeenergíadurantelatransmisióny recepcióndeseñalesderadiofrecuencia(RF). Elproyectoavanzahacialaintroduccióndelcon- troldemotorespasoapaso(Figura3).Parafacilitar lacomprensión,seconstruyeunmodelodeunmo- torbipolarutilizandodossolenoidesyunaagujade brújula[8]. Figura4. ModelodemotorpasoapasoFuente:[8] Alenergizarlossolenoidesenunasecuenciaespecí- fica,segenerauncampomagnéticocambiantequein- duceunmovimientoderotaciónenlaagujadebrújula, simulandoelmovimientopasoapasocaracterísticode estetipodemotores. Explicacióndelproceso Paralaconstruccióndelvehículoseprocedióaelaborar dosantenasdecobreparalaseñalenlaqueoperará, luegoenrollamoslasantenasalrededordeunlápizy formamosunresorte,paraposteriormentesoldarel cobrealosmódulosRxyTx.EnlaFig.4seobserva elprocesodesoldadura.
48 JuventudyCienciaSolidaria Figura5. ProcesodesoldaduraFuente:Autores SeutilizólaherramientaPROTEUSparaeldiseño delcircuito,empezandoporelmando(transmisor) siguiendolasconexionesdeldiagramaesquemático (Figura6). Figura6. MandoTransmisorFuente:Autores Posteriormente,seadecuaronloscablesUTPpara facilitarelmanejoylaestética(Figura7). Figura7. MontajedelmandoTransmisorFuente:Autores SediseñóenTinkercadunportabateríasen3D parafacilitarlaubicacióndeunabateríade9VDCy seloinstalóenelprotoboard(Figura8). Figura8. SoportedeportabateríasFuente:Autores Comosiguientepaso,serealizóeldiseñodelcircuito receptor(Figura9). Figura9. ReceptorFuente:Autores
Enelcaminodelainvestigación 49 Posteriormente,seefectuóelmontajedeloscom- ponentespasoapasodelcircuitoreceptor,talcomo seobservaenlaFigura10. Figura10. CircuitoreceptorFuente:Autores Seguidamenteseañadieronlosmotorreductores paraprobarelfuncionamientodelvehículousandoel controlremoto,mástardesecolocaronlasruedaspara quetengamejorequilibrio,talcomoseobservaenla Fig.11. Figura11. VehículoconmotorreductoresFuente:Autores Finalmente,semanipulóelmandoysealimenta- ronloscircuitosconlasbateríasparacomprobarel correctofuncionamiento(Figura12). Figura12. VehículoconelmandoacontrolremotoFuente:Autores Laspruebasrealizadaspermitieronevaluarelco- rrectofuncionamientodeltransmisoryreceptor.Se validólaintegracióndeloscomponentesylaeficiencia delsistema. Conclusiones Atravésdelpresenteartículosepudoalcanzarelobje- tivoqueeradesarrollarunvehículoacontrolremoto. Pesealasdificultadesconlaadquisicióndemateriales yloserroresencontradosalprobarelprototipoenun protoboard(falsoscontactos,faltadeenergíaycom- ponentesdesgastados),laexperienciadeconstruirun carroacontrolremotohasidoenriquecedora. Eldesarrollodelprototipodestacólaviabilidadtéc- nicadeutilizarlaTransferenciaInalámbricadeEnergía (WPT)comosistemadesuministrodeenergíapara vehículosacontrolremoto.Losresultadosevidencian unacorrectaoperacióndeloscomponenteselectrónicos ymecánicos,asícomolaeficienciadelsistema. Agradecimientos AgradecemosalaCátedraUNESCOporabrirnoslas puertasparapotenciarnuestrosconocimientosyasí aportarennuestraformación,tambiénledamosgra- ciasaDios,aMaríaAuxiliadorayaDonBoscopor sernuestrainspiraciónparaseguiradelanteyalaco- munidadSalesianapresenteenlasinstitucionesque conmemoransunombre. Referencias [1]E.Aguilar,V.Issakov,yR.Weigel,«A130 GHzFully-IntegratedFundamental-FrequencyD- BandTransmitterModuleWith>4dBmSingle-
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