Control de Velocidad y Dirección de un Robot Autónomo

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica 
Unidad Profesional Zacatenco 
 
 
 
 
CONTROL DE VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DE UN 
ROBOT DE CARRERAS AUTÓNOMO 
 
 
TESIS 
 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: 
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA 
 
 
PRESENTAN: 
ÁVILA HERRERA FERNANDO 
CARBAJAL BERNAL JORGE ISAAC 
MARES OLIVARES JOSUÉ 
 
 
ASESOR: 
DR. MUÑOZ CÉSAR JUAN JOSÉ 
DRA. BLANCA MARGARITA OCHOA GALVÁN 
 
 MÉXICO D.F. DICIEMBRE 2011
 
i 
 
RESUMEN 
En esta tesis se presenta el desarrollo de un control de velocidad y dirección para un robot de 
carreras autónomo. Ambos controles utilizan el algoritmo de control PID (proporcional integral 
derivativo). Éste prototipo es capaz de seguir una trayectoria previamente dibujada en una 
superficie. 
El prototipo de carreras está compuesto por tres subsistemas, un conjunto de sensores, unidad de 
control y un sistema de actuadores, y es un pequeño móvil de cuatro ruedas. Dos de ellas 
determinan la dirección que seguirá el móvil, y están ubicadas en la parte frontal del carro. Éstas 
son impulsadas por un eje que interconecta la cabeza de servomotor con cada una de las llantas. 
Las ruedas traseras impulsan al carro mediante un sistema de transmisión que conecta un motor de 
corriente directa independiente para cada rueda. Los motores son alimentados por un arreglo de 
transistores conocido como puente H, que sirve como interfaz entre la unidad de control y los 
motores. Se ha seleccionado como unidad de control un microcontrolador que procesará las 
señales generadas por un conjunto de sensores instalados en el vehículo para tomar decisiones de 
control aplicando el algoritmo de control PID. 
En éste trabajo se presenta el desarrollo de un sistema de control en tiempo real de un prototipo de 
carreras autónomo que realiza la tarea de seguir una trayectoria. En el primer capítulo se expone 
un panorama general del estado del arte de la robótica móvil autónoma. En los capítulos 
subsecuentes (segundo y tercero) se aborda la teoría de funcionamiento de los elementos que 
componen al móvil así como fundamentos teóricos de control de procesos, haciendo énfasis en el 
algoritmo de control PID. 
En el cuarto capítulo se analizan a fondo las consideraciones de diseño que se deben tomar en 
cuenta para desarrollar los controles antes mencionados, y se propone un sistema que permitirá 
regular la velocidad y dirección del vehículo. Finalmente, se muestran un conjunto de pruebas de 
desempeño de ambos controles y los resultados obtenidos de la implementación de los algoritmos 
planteados para el control de dirección y velocidad, así como aportaciones para trabajos futuros. 
 
 
ABSTRACT 
This thesis presents the development of an speed and direction controller for an autonomous race 
robot. Both controls use the PID algorithm (proportional integral derivative). This prototype is 
capable of following a line previously drawn on a surface. 
The racing prototype consists of three subsystems, a set of sensors, a control unit and a system of 
actuators, and is a small four-wheeled vehicle. Two of them will determine the direction the car, 
and are located in the front of it. These are moved by a shaft that connects the servo head with 
each one of the tires. The rear wheels pull the car through a transmission system that connects a 
DC motor for each wheel independently. The motors are powered by an array of transistors known 
as H-bridge, which serves as interface between the controller and motors. It has been selected a 
microcontroller as control unit. This processes the signals generated by a set of sensors installed in 
the vehicle to control decisions by applying the PID control algorithm. 
This paper presents the development of a real-time control of an autonomous racing prototype that 
performs the task of following a path. The first section gives an overview of the state of the art of 
autonomous mobile robotics. In the subsequent chapters (second and third) is explained the 
operation fundaments of the elements that are part of the vehicle and theoretical foundations of 
process control, emphasizing the PID control algorithm. 
In the fourth chapter is presented an analysis in depth of the design considerations to be taken into 
account when developing the controls mentioned, and proposes a system that will regulate the 
speed and direction of the vehicle. Finally, is shown a set of performance tests of both controls and 
the results of the implementation of the algorithms proposed to control direction and speed. 
Finally, contributionsforfutureworks are shown. 
 
 
 
ii 
 
 
 
ÍNDICE GENERAL 
 
RESUMEN ................................................................................................................................................ i 
ABSTRACT .............................................................................................................................................. ii 
ÍNDICE GENERAL ............................................................................................................................ iii 
ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................................... vi 
ÍNDICE DE TABLAS ....................................................................................................................... viii 
OBJETIVO.............................................................................................................................................. ix 
JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................................... x 
CAPÍTULO 1 ........................................................................................................................................... 1 
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 1 
1.1 Breve historia de la robótica móvil. .............................................................................. 1 
1.2 Estado del arte de la robótica móvil. ............................................................................ 4 
1.3 Aplicaciones de los robots móviles. .............................................................................. 6 
1.3.1 Aplicaciones industriales. ......................................................................................... 6 
1.3.1.1 Inspección y limpieza de ductos. ....................................................................... 7 
1.3.1.2 Domésticos y de oficina. ..................................................................................... 8 
1.3.1.3 Limpieza de pisos. ................................................................................................ 8 
1.3.2 Robots de competencias. ......................................................................................... 9 
CAPÍTULO 2 ......................................................................................................................................... 10 
MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................ 10 
2.1 Robots móviles. .............................................................................................................. 10 
2.2 Vehículos con ruedas. .................................................................................................... 12 
2.2.1 Configuración Ackerman ....................................................................................... 12 
2.3 Unidad de control .......................................................................................................... 13 
2.3.1 Lógica cableada. ....................................................................................................... 13 
2.3.2Lógica programada. ................................................................................................. 14 
2.3.2.1 El microcontrolador. .......................................................................................... 15 
2.4 Actuadores ....................................................................................................................... 16 
2.4.1 Motor de CD ............................................................................................................ 17 
2.4.1.1 Principios básicos de operación. ...................................................................... 17 
2.4.1.2 Control de un motor de CD mediante PWM. .............................................. 18 
2.4.2 Servomotor. .............................................................................................................. 23 
2.4.2.1 Principios básicos de operación. ...................................................................... 24 
ÍNDICE GENERAL 
iv 
 
2.5 Sensores. .......................................................................................................................... 26 
2.5.1 Sensores optoelectrónicos. .................................................................................... 26 
2.5.1.1 Fotodiodo. ............................................................................................................ 27 
2.5.1.2 Fototransistor. ..................................................................................................... 28 
2.5.1.3 Opto transistor de encapsulado ranurado. ..................................................... 28 
2.5.1.4 Cámara de sensor lineal. .................................................................................... 29 
2.5.1.4.1 Principiosbásicos de operación. ............................................................... 29 
CAPÍTULO 3 ......................................................................................................................................... 32 
TEORÍA DEL CONTROL PID. ................................................................................................. 32 
3.1 Introducción al control de procesos. .......................................................................... 32 
3.2 Tipos básicos de control con retroalimentación. ..................................................... 34 
3.3 Control PID digital. ....................................................................................................... 37 
3.3.1 Componentes de un control PID digital. ............................................................ 37 
3.4 Implementación del algoritmo PID digital. ............................................................... 39 
3.5 Algoritmos proporcional, integral y derivativo del control PID digital. .............. 40 
3.6 Análisis de la respuesta transitoria de un sistema de control. ................................ 41 
CAPÍTULO 4 ......................................................................................................................................... 44 
DISEÑO DEL CONTROL DE VELOCIDAD Y POSICIÓN .......................................... 44 
4.1 Introducción. ................................................................................................................... 44 
4.2 Consideraciones de diseño. .......................................................................................... 44 
4.2.1 Configuración diferencial del vehículo. ............................................................... 44 
4.2.2 Unidad de control. ................................................................................................... 45 
4.2.3 Actuadores ................................................................................................................ 46 
4.2.3.1 Motores de CD ................................................................................................... 46 
4.2.3.2 Servomotor. ......................................................................................................... 47 
4.2.3.3 Puente H. .............................................................................................................. 48 
4.2.4 Sensores ..................................................................................................................... 50 
4.2.4.1 Opto transistor de encapsulado ranurado. ..................................................... 50 
4.2.4.2 Cámara con sensor lineal CMOS. .................................................................... 52 
4.3 Diseño del controlador PID de velocidad................................................................. 56 
4.3.1 Microcontrolador .................................................................................................... 57 
4.3.2 Tacómetro. ................................................................................................................ 57 
4.3.3 Acción de control PID. .......................................................................................... 59 
4.3.4 Puente H y motores de CD. .................................................................................. 59 
4.4 Diseño del controlador PID de dirección. ................................................................ 61 
4.4.1 Microcontrolador .................................................................................................... 62 
ÍNDICE GENERAL 
v 
 
4.4.2 Servomotor. .............................................................................................................. 62 
4.3.2 Cámara. ...................................................................................................................... 63 
CAPÍTULO 5 ......................................................................................................................................... 65 
PRUEBAS Y RESULTADOS ....................................................................................................... 65 
5.1 Pruebas de desempeño del control de velocidad. .................................................... 65 
5.1.1 Pruebas del control de velocidad sin carga a 80 RPS. ...................................... 66 
5.1.1.1 Control proporcional. ........................................................................................ 66 
5.1.1.2 Control proporcional derivativo. ..................................................................... 67 
5.1.1.3 Control proporcional integral. .......................................................................... 67 
5.1.1.4 Control proporcional integral derivativo. ....................................................... 68 
5.1.2 Pruebas del control de velocidad con diferentes cargas a 40 rps. .................. 69 
5.1.3 Pruebas del control de velocidad con diferentes cargas a 80 rps. .................. 72 
5.2 Pruebas de desempeño del control de dirección. ..................................................... 74 
CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 77 
RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS. ........................................................ 79 
ANEXO A .............................................................................................................................................. 80 
Análisis de costos y propuesta de beneficios. .............................................................................. 80 
REFERENCIAS .................................................................................................................................... 82 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
 
Figura 1. 1 Primeros robots autómatas. .............................................................................................. 2 
Figura 1. 2 Primer robot industrial, el Unimate. ............................................................................... 4 
Figura1. 3 ELSIE, desarrollado en Inglaterra .................................................................................. 5 
Figura 1. 4 Shackey, del SRI ................................................................................................................. 6 
Figura 1. 5 Robot limpiador de ductos. .............................................................................................. 8 
Figura 1. 6 Robot limpiador de pisos.................................................................................................. 9 
Figura 1. 7 Robot seguidor de líneas de carreras .............................................................................. 9 
 
Figura 2.1 Configuración del sistema motriz Ackerman. .............................................................. 13 
Figura 2.2 Esquema de los elementos funcionales de un microcontrolador. ........................... 15 
Figura 2.3 Elementos básicos de un motor de CD. ...................................................................... 17 
Figura 2.4 Motor de CD. .................................................................................................................... 18 
Figura 2.5 PWM. .................................................................................................................................. 19 
Figura 2.6 Circuito básico para generar PWM. ............................................................................... 19 
Figura 2.7 Circuito en H o Puente H. .............................................................................................. 20 
Figura 2.8 Circuito en H o puente H modificado. ........................................................................ 20 
Figura 2.9 Control de velocidad con retroalimentación................................................................ 21 
Figura 2.10 Control de velocidad para un motor de CD mediante PWM. ............................... 22 
Figura 2.11 Servomotor. ...................................................................................................................... 23 
Figura 2.12 Despiece de un servomotor. ......................................................................................... 24 
Figura 2.13 Características de la señal PWM que permiten controlar un servomotor. ........... 25 
Figura 2.14 Diagrama de bloques de un sensor óptico. ................................................................ 26 
Figura 2.15 Fotodiodo. ........................................................................................................................ 27 
Figura 2.16 Fotodiodo. ........................................................................................................................ 28 
Figura 2.17 Opto transistor de encapsulado ranurado. ................................................................. 29 
Figura 2.18 Cámara con sensor lineal. .............................................................................................. 30 
Figura 2.19 Sensor lineal de imágen. ................................................................................................. 30 
Figura 2.20 Forma de captura de una cámara con sensor lineal. ................................................. 30 
Figura 2.21 Señal de salida de un sensor lineal. ............................................................................... 31 
 
Figura 3.1 Sistema de control. ............................................................................................................ 32 
Figura 3.2 Sistema de control en lazo abierto. ................................................................................ 33 
Figura 3. 3 Sistema de control en lazo cerrado. .............................................................................. 33 
Figura 3.4 Acciones básicas del control con retroalimentación: control proporcional, integral 
y derivativo. ............................................................................................................................................. 35 
Figura 3. 5 Ilustración del comportamiento de entrada – salida de las acciones básicas del 
control con retroalimentación: control proporcional, integral y derivativo. ............................... 36 
Figura 3.6 Diagrama de bloques del controlador PID estándar. ................................................. 36 
Figura 3.7 Sistema de control analógico de lazo cerrado y la naturaleza de las señales 
implicadas. ............................................................................................................................................... 38 
Figura 3.8 Sistema de control digital. ................................................................................................ 39 
Figura 3.9 Respuesta transitoria en el tiempo de un sistema controlado. .................................. 42 
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ÍNDICE DE FIGURAS 
vii 
 
 
Figura 4.1 Vista superior del móvil. .................................................................................................. 45 
Figura 4.2 Vista posterior del vehículo. ............................................................................................ 46 
Figura 4.3 Servomotor instalado en el vehículo. ............................................................................ 47 
Figura 4.4 Señal PWM para girar las llantas hasta el extremo derecho. ..................................... 48 
Figura 4.5 Señal PWM para girar las llantas hasta el extremo izquierdo. ................................... 48 
Figura 4.6 Sensor optoelectrónico montado en el carro. .............................................................. 50 
Figura 4.7 Señal de salida del arreglo optoelectrónico. ................................................................. 51 
Figura 4.8 Señal después de haber pasado la señal del opto transistor por el flip flop. .......... 51 
Figura 4.9 Ejemplo de trayectoria. .................................................................................................... 52 
Figura 4.10 Sensor de imágen instalado en el vehículo. ................................................................ 53 
Figura 4.11 Señales de activación del sensor. .................................................................................. 54 
Figura 4.12 Señales de activación para el sensor. ............................................................................ 54 
Figura 4.13 Señal de video de un CCD. ........................................................................................... 55 
Figura 4.14 Señal de vídeo cuando el CCD observa el fondo blanco del lado izquierdo. ...... 55 
Figura 4.15 Señal de vídeo cuando el CCD observa fondo blanco del lado derecho. ............ 55 
Figura 4.16 Diagrama de bloques del controlador PID digital. ................................................... 56 
Figura 4.17 Tacómetro digital. ........................................................................................................... 58 
Figura 4.18 Puente H y motores. ....................................................................................................... 60 
Figura 4.19 Controlador PID digital de velocidad implementado. ............................................. 60 
Figura 4.20 Diagrama de bloques del controlador PID digital. ................................................... 61 
Figura 4.21 Esquema electrónico del sistema de dirección. ......................................................... 63 
Figura 4.22 Esquema electrónico del sistema de visión. ............................................................... 64 
Figura 4.23 Controlador PID digital de velocidad implementado. ............................................. 64 
 
Figura 5.1 Programa medidor de pulsos codificado en lenguaje G usando LabVIEW. ......... 65 
Figura 5.2 Respuesta del sistema con control P sin carga. ...........................................................66 
Figura 5.3 Respuesta del sistema con control PD sin carga. ........................................................ 67 
Figura 5.4 Respuesta del sistema con control PI sin carga. .......................................................... 68 
Figura 5.5 Respuesta del sistema con control PID sin carga. ...................................................... 69 
Figura 5.6 Respuesta del sistema en movimiento con 500 gr de peso a 40 rps. ....................... 70 
Figura 5.7 Respuesta del sistema en movimiento con 1000 gr de peso a 40 rps. .................... 71 
Figura 5.8 Respuesta del sistema en movimiento con 1500 gr de peso a 40 rps. .................... 71 
Figura 5.9 Respuesta del sistema en movimiento con 500 gr de peso a 80 rps. ....................... 72 
Figura 5.10 Respuesta del sistema en movimiento con 1000 gr de peso a 80 rps. ................... 73 
Figura 5.11 Respuesta del sistema en movimiento con 1500 gr de peso a 80 rps. ................... 73 
Figura 5.12 Panel Frontal del programa para medición de PID de Dirección. ........................ 74 
Figura 5.13 Diagrama de Bloques para medición de PID de Dirección. ................................... 75 
Figura 5.14 Respuesta del controlador PID de dirección no sintonizado. ................................ 75 
Figura 5.15 Respuesta del controlador PID de dirección. ............................................................ 76 
 
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ÍNDICE DE TABLAS 
 
Tabla 4. 1 Propiedades de los motores de CD. ............................................................................... 46 
Tabla 4.2 Propiedades del servomotor. ............................................................................................ 47 
Tabla 4.3 Especificaciones del puente H. ........................................................................................ 49 
 
Tabla 5.1 Resultados de la prueba agregando peso al carro con un set point de 40 rps. ........ 70 
Tabla 5.2 Resultados de la prueba agregando peso al carro con un set point de 80 rps. ........ 72 
 
Tabla A1 Costo del equipo .................................................................................................................. 80 
Tabla A2 Costo de servicios. .............................................................................................................. 80 
Tabla A3 Costo de papelería. .............................................................................................................. 80 
Tabla A4.Costo del diseño .................................................................................................................. 81 
Tabla A5 Costo total del proyecto ................................................................................................... 81 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
OBJETIVO 
Controlar la velocidad y dirección de un robot de carreras autónomo mediante una unidad de 
control, actuadores y sensores aplicando el algoritmo de control PID. 
Derivados del objetivo general, se tienen los siguientes objetivos particulares: 
 Implementar un control proporcional integral derivativo (PID) para corregir la velocidad 
del robot de carreras. 
 Desarrollar un algoritmo que permita controlar un servomotor que determinará la 
dirección del robot de carreras, también basado en un controlador PID, e implementarlo. 
 Diseñar un sistema de sensores que permitan a la unidad de control tomar decisiones que 
controlen la trayectoria sobre la cual se debe desplazar el móvil, y la velocidad de 
desplazamiento del mismo. 
 Medir la velocidad del robot de carreras mediante un optoacoplador y procesamiento 
digital. 
 Determinar la posición de la línea mediante una cámara con un sensor lineal de luz. 
 Analizar la señal de la cámara mediante la unidad de control y tomar las acciones de 
corrección de trayectoria pertinentes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JUSTIFICACIÓN 
La robótica móvil está presente en diferentes ámbitos. Desde un robot autónomo en una fábrica 
hasta un seguidor de línea en una competencia. Es por esto que es necesario conocer cómo 
implementar el control de la velocidad y la dirección de un prototipo móvil autónomo, en 
específico, de un robot de carreras. Éste documento pretende ser una referencia muy completa 
sobre los aspectos técnicos y teóricos que se deben considerar cuando se desea diseñar un robot 
con estas características, y ofrece una opción robusta y confiable para implementar el control 
sobre el vehículo de carreras, ayudando así a enfrentar los desafíos en los que la autonomía de los 
robots es el elemento básico y se proclama vencedor aquel prototipo que proporciona un mejor 
desempeño y mejor comportamiento. 
Apoyado en esta idea, se plantea un sistema de control que permita un comportamiento adecuado 
y una corrección eficiente de la trayectoria del vehículo. Además, se propone un conjunto de 
sensores que permita resolver el problema planteado, el cual es, controlar la velocidad y dirección 
del vehículo. 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 
INTRODUCCIÓN 
1.1 Breve historia de la robótica móvil. 
Ollero (2007) principia su obra diciendo que, en el término robot confluyen las imágenes de 
máquinas para la realización de trabajos productivos y de imitación de movimientos y 
comportamientos de seres vivos. 
Los robots actuales son obras de ingeniería y como tales concebidas para producir bienes y 
servicios o explotar recursos naturales. Desde esta perspectiva, son máquinas con las que se 
continúa en una actividad que parte de los propios orígenes de la humanidad, y que desde el 
comienzo de la Edad Moderna se fundamenta esencialmente en conocimientos científicos. 
En nuestro siglo el desarrollo de máquinas ha estado fuertemente influido por el progreso 
tecnológico. De esta forma se pasa de máquinas que tienen como objetivo exclusivo la 
amplificación de la potencia muscular del hombre a máquinas o instrumentos que son también 
capaces de procesar información, complementando, o incluso sustituyendo al hombre en algunas 
actividades intelectuales. 
Por otra parte, también desde la antigüedad, el hombre ha sentido fascinación por las máquinas 
que imitan la figura y los movimientos de seres animados. Existe una larga tradición de autómatas 
desde el mundo griego hasta nuestro siglo, pasando por los autómatas de los artesanos franceses y 
suizos del siglo XVII, que ya incorporaban interesantes dispositivos mecánicos para el control 
automático de movimientos. (Véase la figura 1.1.) 
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 
2 
 
 
Figura 1. 1 Primeros robots autómatas. 
a) El canard digérateur de Jacques de Vaucanson, relojero francés. 
b) "El Escritor" de Jaquet-Droz, creador de autómatas suizo. 
 
Tal como Ollero (2007) afirma en su obra, el término robot aparece por primera vez en 1921, en la 
obra teatral R.U.R. 
1
 del novelista y autor dramático checo KarelKapek en cuyo idioma la palabra 
“robota” significa fuerza de trabajo o servidumbre. Por aquellos años, la producción en grandes 
series se había introducido en numerosas fábricas. Salido (2010) ofrece una definición alternativa 
y moderna de “robot”, respaldada por la RIA
2,
 que dice así: 
“… es un manipulador reprogramable, multifuncional, con control automático que puede estar fijo 
en un sitio o moverse y que está diseñado para mover piezas, herramientas o dispositivos 
especiales, por medio de movimientos variables programados para la realización de diversas tareas 
o trabajos. “ 
El término robota tiene amplia aceptación y pronto se aplica a autómatas construidos en los años 
veinte y treinta que se exhiben en ferias, promociones de productos, películas y otras aplicaciones 
más o menos festivas. Se trata de imitar movimientos de seres vivos pero también de demostrar 
técnicas de control remoto, incluyéndose en algunos casosfunciones sensoriales primarias.En 
cualquier caso, interesa recordar que el término robot nace asociado a la idea de trabajo y 
producción. 
Ollero (2007) sigue diciendo que, los robots industriales surgen de la convergencia de tecnologías 
del control automático y, en particular, del control de máquinas herramientas, de los 
manipuladores tele operados, y de la aplicación de computadores en tiempo real. En párrafos 
 
1 Acrónimo de Rosum’s Universal Robots. 
2 RIA: Acrónimo de Asociación Americana de Robótica, por sus siglas en inglés. 
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 
3 
 
posteriores se comentan brevemente algunos aspectos significativos en la evolución de estas 
tecnologías. 
Mediante el control automático de procesos, se pretende concebir y realizar ingenios que permitan 
gobernar un proceso sin la intervención de agentes exteriores, especialmente el hombre. En 
particular, se presentan problemas de seguimiento automático de señales de consigna, mediante 
los denominados servosistemas. Estos sistemas generan automáticamente señales de control que 
tratan de anular la diferencia entre la señal de consigna y la señal medida en el proceso u objeto 
que se pretende controlar. Un problema similar es el de la regulación automática mediante la cual 
se trata de mantener una consigna, aunque se presenten perturbaciones que tiendan a separar al 
sistema de las condiciones deseadas. 
Tanto los servosistemas como los reguladores se basan en el principio de la retroalimentación. Las 
señales de consigna o referencia se comparan con medidas de variables del proceso u objeto que 
se pretende controlar y su diferencia se emplea para generar acciones de control sobre el propio 
proceso u objeto. En los sistemas de control automático esta cadena cerrada de acción – medida – 
se realiza sin la intervención del hombre. 
La automatización industrial con utilización de sistemas de control automático comienza también 
en el siglo XIX pero no es hasta el siglo XX, muy especialmente después de la Segunda Guerra 
Mundial, cuando empieza a extenderse de forma importante en todos los sectores industriales. De 
esta forma, se generalizan los sistemas de control automático de variables de procesos industriales, 
y en particular, sistemas de control de posición y velocidad. Se emplean también sistemas de 
control retroalimentado en barcos o aviones que deben seguir automáticamente una determinada 
trayectoria (pilotos automáticos) o en el posicionamiento de radares, según Ollero (2007) explica. 
Tradicionalmente, en la realización de sistemas de control automático se han empleado diversas 
tecnologías tales como la neumática, hidráulica y, posteriormente, la eléctrica. A finales de los 
años sesenta y comienzos de los setenta los minicomputadores encuentran una importante acogida 
en aplicaciones de control. La aparición en 1972 del microprocesador suministra un impulso 
decisivo al control por computador, haciendo rentables numerosísimas aplicaciones entre las que 
se cuenta el control de los robots. Los avances en microelectrónica de los años ochenta, con la 
tecnología de los circuitos de gran escala de integración, acentúan esta tendencia. 
En 1954, el ingeniero americano George Devol patentó el que se considera el primer robot 
industrial: un dispositivo que combinaba la articulación de un teleoperador con el eje 
servocontrolado de una máquina de control numérico, mostrado en la figura 1.2. 
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 
4 
 
 
 
Figura 1. 2 Primer robot industrial, el Unimate. 
1.2 Estado del arte de la robótica móvil. 
 
Salido (2010) indica que los robots móviles poseen la capacidad de control autónomo, tomando 
decisiones sobre la marcha durante el curso de una misión. 
Los robots móviles tienen como precedentes los dispositivos electromecánicos, tales como los 
denominados “micro – mouse”, creados desde los años treinta para desarrollar funciones 
inteligentes tales como descubrir caminos en laberintos. Cabe destacar la tortuga de Walter, 
presentada en 1948, que podía reaccionar ante la presencia de obstáculos, subir pendientes y, 
cuando la alimentación comenzaba a ser insuficiente, dirigirse hacia una posición de recarga. 
Complementando lo antes dicho, González (2009) añade que la robótica móvil comenzó en el año 
de 1953 con el primer robot de este tipo llamado ELSIE
3
, construido en Inglaterra (Véase la figura 
1.3). Estos trabajos de investigación no guardan una relación directa con los vehículos autónomos 
que comenzaron a aplicarse desde los años sesenta en la industria, siendo guiados por cables bajo 
el suelo o mediante sensores ópticos para seguir líneas trazadas en la planta. Estas aplicaciones, 
hoy en día comunes en muchos procesos de fabricación, se caracterizan por un entorno 
fuertemente estructurado para facilitar la automatización. 
 
3 Acrónimo de Electro Light SensitiveInternal - External 
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 
5 
 
 
Figura 1. 3 ELSIE, desarrollado en Inglaterra 
En los años sesenta se vuelve a trabajar en el desarrollo de robots móviles dotados de una mayor 
autonomía. La mayor parte de las experiencias se desarrollan empleando plataformas que soportan 
sistemas de visión, según Moravec (1981). 
Sin embargo, el desarrollo tecnológico todavía no era el suficiente para lograr la navegación 
autónoma de forma eficiente. En los años ochenta el incremento espectacular de la capacidad 
computacional y el desarrollo de nuevos sensores, mecanismos y sistemas de control, permite 
aumentar la autonomía. Bares y otros (1988) destacan en esa misma década el desarrollo de robots 
móviles, tanto para interiores, como para navegación exterior, realizados en la CMU.
4
 
González (2009) destaca que en la década de los 70 se crea el SHACKEY del SRI
5
, el cual estaba 
provisto de una diversidad de sensores así como de una cámara de visión, sensores táctiles y podía 
desplazarse por el suelo. Este prototipo se muestra en la figura 1.4. Sin embargo, fue hasta 1980 
que se tiene el despliegue definitivo debido al abaratamiento y mejores prestaciones de los 
sistemas computacionales, como se mencionó previamente. 
 
4 Acrónimo de Carnegie MellonUniversity (Pittsburg, E.E.UU.). 
5 Acrónimo de StandfordResearchInstitute 
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 
6 
 
 
Figura 1. 4Shackey, del SRI 
En la actualidad, está la robótica presente en muchos ámbitos y cubre muchos campos de 
aplicación, como son transporte de materiales, labores de limpieza, vigilancia y prospección, 
guiado depersonas, aplicaciones militares y en múltiples competencias de robots móviles 
alrededor del mundo, entre muchas aplicaciones más. 
1.3 Aplicaciones de los robots móviles. 
 
Existe multitud de documentación referente a robots móviles. Es posible realizar una revisión 
de acuerdo a los fines para los que han sido diseñados, de acuerdo a la estructura del robot móvil, 
diseño, entre otros. Sin embargo es posible afirmar que los sistemas robóticos aplicados a algún 
campo se basan en una parte que proporciona la movilidad, junto con otra parte que proporciona 
la aplicación específica. A continuación se presentan algunas aplicaciones de los robots móviles, 
así como su funcionamiento. 
1.3.1 Aplicaciones industriales. 
La utilización de robots industriales está ampliamente extendida en todo tipo de fábricas y 
empresas industriales, obteniendo con ellos reducción de costos, aumento de la productividad, 
mejora de la calidad en la producción y eliminación de condiciones peligrosas de trabajo o mejora 
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 
7 
 
de las mismas. De este modo, la empresa industrial, a través de inversiones tecnológicas en el 
campo de la automatización industrial, podrá aumentar su competitividad en el mercado, 
corriendo el riesgo de quedarse rezagada en el mercado si descartasela utilización de la robótica 
en sus procesos de fabricación. 
El principal papel de los robots es articular diferentes máquinas y funciones productivas; 
transporte, manejo de materiales, maquinado, carga y descarga, etc. mediante su capacidad para 
desempeñar diversas tareas u operaciones. El robot industrial ha sido descrito como el elemento 
más visible de la fabricación asistida por computador y como la base técnica para la mayor 
automatización de la producción. La inmensa mayoría de los robots industriales se componen de 
un brazo articulado, a través del cual desempeñan su tarea en una cadena de producción. Este tipo 
de robots se sale del marco de esta investigación, por no ser ni robots de carreras, ni móviles, de 
modo que se deja del lado esta amplia familia para indagar en robots más próximos a los tratados 
en esta tesis. 
1.3.1.1 Inspección y limpieza de ductos. 
Dichos robots son los encargados de inspeccionar y/o limpiar conductos de diferentes tipos, ya 
que debido a su pequeño tamaño y peso, se desenvuelven con soltura dentro de los conductos, 
asimismo son fáciles de transportar debido al control mediante ordenador portátil, con el que se 
controlan todas las opciones del robot limpiador (variación de luz y potencia de los motores) y 
sirve de almacenamiento de imágenes y vídeos. También son capaces de tomar muestras para su 
posterior análisis. 
 Además pueden mostrar sobre la pantalla de grabación variables físicas del interior de los 
conductos, como la temperatura y la humedad relativa, que quedan almacenados junto con la 
grabación de vídeo o fotos. También existen cepillos de limpieza para conductos de aireación, 
fabricados especialmente para los robots de limpieza. Un ejemplo de este tipo de robots es 
mostrado en la figura 1.5. 
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 
8 
 
 
Figura 1. 5 Robot limpiador de ductos. 
 
1.3.1.2 Domésticos y de oficina. 
Las aplicaciones de robots móviles en el ámbito doméstico y de oficina, es un largo camino hacia 
resultados perfectos, sin embargo, están apareciendo robots no excesivamente inteligentes, pero sí 
eficientes para ciertas tareas concretas. Actualmente es posible comprar robots que realizan tareas 
sencillas, como pueden ser la de pasar la aspiradora, cortar el césped, entretener a los niños o 
realizar pequeñas tareas de servicio como traer café o aperitivos. 
Esta perspectiva parece indicar que en un futuro no muy lejano puede aparecer lo que se puede 
denominar el 'robot personal', un robot doméstico o de oficina de propósito general. 
1.3.1.3 Limpieza de pisos. 
En esta categoría existen robots simples, con un control de procesos relativamente sencillo, hasta 
los robots que utilizan algoritmos más avanzados. Tal es el caso del robot de limpieza VC-RP30W 
de Samsung, el cual es un 'robot aspiradora' que utiliza el principio de mapeo similar al usado por 
los sistemas de misiles de alta tecnología, y 'dibuja' un mapa en tres dimensiones del ambiente en 
donde se encuentra para identificar su ubicación relativa, permitiéndole una limpieza más rápida y 
efectiva del área definida. 
El VC-RP30W sabe cuál área debe ser limpiada, logrando un resultado mucho más exacto. 
Asimismo, con esta unidad, el usuario puede programar el tiempo de trabajo y opciones de 
limpieza avanzadas, de tal modo que el robot limpia el área automáticamente mientras el usuario 
está fuera de casa. Es un claro ejemplo de técnicas de control en combinación con técnicas de 
inteligencia artificial. (Véase la figura 1.6). 
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 
9 
 
 
Figura 1. 6 Robot limpiador de pisos. 
1.3.2 Robots de competencias. 
Al igual que ocurre con las competiciones de automovilismoo motociclismo, los concursos de 
robótica pretenden ser un punto de evaluación y comparación de las distintas tecnologías aplicadas 
a la construcción de robots autónomos. 
Existen multitud de competiciones de este tipo. Quizá la más representativa a nivel internacional 
sea RoboCup. En esta competición se trata de jugar un partido de futbol con robots autónomos, 
los cuales son capaces de interactuar con otros robots y con el medio. 
También existen pruebas específicas con otros objetivos, muchas veces auspiciadas por casas 
comerciales. Sin duda la competición más importante a nivel internacional es HISPABOT. 
En este concurso existen las pruebas de rastreadores, sumo, laberinto y velocista, en las que se 
valoran muchos de los aspectos básicos en robótica, como la controlabilidad, interacción con el 
ambiente, técnicas de planificación, etc. 
 
Figura 1. 7 Robot seguidor de líneas de carreras 
 
 
 
CAPÍTULO 2 
MARCO TEÓRICO 
2.1 Robots móviles. 
Como se ha mencionado previamente, un robot móvil según Salido (2010), tiene la capacidad de 
autocontrolarse y tomar decisiones teniendo en cuenta la información recogida por los sensores 
del sistema. Dichos sensores le proporcionan información al autónomo de su entorno. 
El desarrollo de robots móviles responde a la necesidad de extender el campo de aplicación de la 
robótica, restringido inicialmente al alcance de una estructura mecánica anclada en uno de sus 
extremos. Se trata también de incrementar la autonomía limitando todo lo posible la intervención 
humana, según Ollero (2007). 
Por otro lado, la autonomía de un robot móvil se basa en el sistema de navegación automática. En 
estos sistemas se incluyen tareas de planificación, percepción y control. 
En cuanto a la tarea de planificación, existen numerosos métodos de planificación de caminos para 
robots móviles que se basan en hipótesis simplificadoras. Uno de estos métodos consiste en 
corregir y definir la trayectoria debido a acontecimientos previamente considerados. La definición 
de la trayectoria debe tener en cuenta las características cinemáticas del vehículo. Por ejemplo, en 
vehículos con ruedas y tracción convencional, interesa definir trayectorias de curvatura continua 
que puedan ejecutarse con el menor error posible, como dicen Kanayama y Hartman (1989). 
Además de las características geométricas y cinemáticas, puede ser necesario tener en cuenta los 
modelos dinámicos de comportamiento del vehículo contemplando la interacción vehículo – 
terreno. Por otra parte, puede plantearse también el problema de la planificación de la velocidad 
teniendo en cuenta las características del terreno y del camino que se pretende seguir. 
Una vez realizada la planificación de la trayectoria, es necesario planificar movimientos concretos 
y controlar dichos movimientos para mantener al vehículo en la trayectoria. De esta forma, se 
plantea el problema del seguimiento de caminos, que para vehículos con ruedas se concreta en 
determinar el ángulo de dirección teniendo en cuenta la posición y orientación actual del vehículo 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
11 
 
con respecto a la trayectoria que debe seguir. Asimismo, es necesario resolver el problema del 
control y regulación de la velocidad del vehículo. 
En cualquier caso, Ollero (2007) dice que el problema de control automático preciso de un 
vehículo con ruedas puede resultar más complejo que el de los manipuladores debido a la 
presencia de restricciones no holónomas. 
6
 
El control del vehículo requiere disponer de medidas de su posición y orientación, a intervalos 
suficientemente cortos. Para esto, se utiliza un sistema de percepción en el robot móvil. Para 
diseñar estos sistemas de percepción se deben tener en cuenta diferentes criterios, tales como la 
velocidad del robot, la posibilidad de interpretación errónea de datos y la propia estructura de la 
representación del entorno, entre otros. 
Con respecto a los sensores del sistema de percepción, Ollero (2007) precisa que, además de las 
características de precisión, rango e inmunidad a la variación de condiciones del entorno, es 
necesario tener en cuenta su robustez ante vibraciones y otros efectos originadospor el vehículo y 
el entorno, su tamaño, su consumo, seguridad de funcionamiento y desgaste. En el siguiente 
listado se describen tres tipos de sensores utilizados en los sistemas de percepción de un robot. 
1. Las cámaras de video con sensores de luz, tienen la ventaja de su amplia difusión y 
precio, su carácter pasivo (no se emite energía sobre el entorno) y que no es necesario, en 
principio, el empleo de dispositivos mecánicos para la captación de la imagen. Las desventajas son 
los requerimientos computacionales, la sensibilidad a las condiciones de iluminación, y los 
problemas de calibración y fiabilidad. 
2. La percepción activa mediante láser es un método alternativo que ha cobrado una 
importante significación en robots móviles, como Hebert (1990) lo menciona. Se utilizan 
dispositivos mecánicos y ópticos de barrido en el espacio obteniéndose imágenes de distancia y 
reflectancia a las superficies intersectadas por el haz. 
3. Los sensores de ultrasonido son económicos y simples para la navegación, según Moravec 
y Elfes (1985). Se basan en la determinación del denominado tiempo de vuelo de un pulso de 
sonido (entre 30 KHz y 1MHz). Sin embargo, la influencia de las condiciones ambientales puede 
ser significativa, debiendo corregirse mediante una calibración adecuada. Por otra parte, la 
 
6 Sistema no holónomo: Implica que el sistema tiene más coordenadas independientes que grados de libertad. Un vehículo 
convencional, por ejemplo, no se puede desplazar transversalmente, pero puede llegar a una configuración que 
corresponda a una traslación transversal si hace maniobras. Es un sistema no holónomo. Cardona y Clos (2001). 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
12 
 
relación señal/ruido es normalmente muy inferior a la de otros sensores, lo que puede hacer 
necesario el empleo de múltiples frecuencias y técnicas de filtrado, y tratamiento de la 
incertidumbre de mayor complejidad computacional. Asimismo, la resolución lateral es mala, 
existiendo para evitarlo técnicas de enfoque mediante lentes acústicas o transmisores curvos. 
2.2 Vehículos con ruedas. 
Ollero (2007) expone que los vehículos con ruedas son la solución más simple y eficiente para 
conseguir la movilidad en terrenos suficientemente duros y libres de obstáculos, permitiendo 
conseguir velocidades relativamente altas. 
A pesar de que las ruedas, como tales, no existen como medio de transporte en la naturaleza, 
Salido (2010) expone que gracias a ellas el hombre ha conseguido desplazarse largas distancias y 
mecanizar tareas que anteriormente no estaban a su alcance. 
Los vehículos móviles emplean diferentes tipos de locomoción mediante ruedas que les confieren 
características y propiedades diferentes. De manera general se tienen las siguientes 
configuraciones: Ackerman, triciclo clásico, tracción diferencial, skidsteer, tracción síncrona, 
entre otras. Sin embargo, en este trabajo sólo se hará énfasis en la configuración Ackerman, usada 
en el desarrollo del prototipo de carreras. 
2.2.1 Configuración Ackerman 
Es el utilizado en vehículos de cuatro ruedas convencionales. De hecho, los vehículos robóticos 
para exteriores resultan normalmente de la modificación de vehículos convencionales tales como 
automóviles o vehículos más pesados. 
El sistema Ackerman consiste en un grupo de ruedas motrices y otro de ruedas directrices, 
existiendo algún actuador para cada grupo de ruedas. El primero de los actuadores gobierna el 
avance del vehículo y el segundo dirige el volante que controla la dirección del movimiento, 
según Salido (2010). 
Este sistema de locomoción se ilustra en la figura 2.1. La principal ventaja de este sistema motriz 
reside en la sencillez del control de dirección para seguir una trayectoria dada. Sin embargo, al ser 
imposible el movimiento de giro sobre la vertical, un móvil dotado con este sistema necesita 
maniobrar para alcanzar determinadas posiciones 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
13 
 
Cabe mencionar que cuando un vehículo tipo Ackerman gira, las ruedas describen una trayectoria 
curva, pero el espacio recorrido por las ruedas interiores y exteriores es diferente, ya que las 
ruedas interiores a la curva recorren un espacio menor. Si las ruedas interiores y exteriores giran 
solidariamente unidas por un eje rígido, la única posibilidad para que ambas ruedas recorran 
espacios diferentes es que la rueda interior derrape deslizándose sobre el suelo para compensar la 
diferencia de espacios recorridos. Para solucionar este problema, la unión de ambas ruedas en el 
eje motriz no es rígida, sino a través de una transmisión diferencial, que tiene la propiedad de 
permitir que las ruedas conectadas a ambos lados de la transmisión giren a velocidades diferentes. 
 
Figura 2.1 Configuración del sistema motriz Ackerman. 
2.3 Unidad de control 
Cualquier sistema con control retroalimentado necesita para su funcionamiento de un módulo 
funcional controlador encargado de adoptar las medidas correctoras adecuadas para que la 
evolución del sistema sea la deseada. En el caso particular de un prototipo de carreras, el 
controlador dirige los movimientos del vehículo y cualquier acción que éste realice. En el 
esquema general de los sistemas de control retroalimentado (Ver figura 3.7), esto equivaldría a 
implementar el bloque controlador al que irán conectados tanto los sensores como los actuadores, 
encargados de ejecutar las órdenes del controlador para adecuar el comportamiento del autónomo 
al resultado deseado. Existen dos posibles filosofías a la hora de implementar el hardware de 
control de un robot autónomo: emplear lógica cableada o lógica programada. 
7 
2.3.1 Lógica cableada. 
Como indica Salido (2010), empleando lógica cableada las funciones de control se codifican 
cableando un circuito lógico específico. La codificación se realiza implícitamente al conectar los 
 
7 En realidad estas dos filosofías no son excluyentes y pueden coexistir controlando subsistemas distintos de un robot. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
14 
 
componentes teniendo en cuenta las características específicas de estos (por ejemplo, valores 
concretos de capacidad, resistencia, etc.). 
A pesar de su sencillez, la lógica cableada implementada en este tipo de circuitos permite resolver 
problemas no tan complejos. Sin embargo, Salido (2010) destaca que para problemas de mayor 
grado de complejidad, se encuentran algunas dificultades, como son: 
 El proceso de diseño y depuración es muy tedioso. 
 Cualquier variación sobre el comportamiento del móvil exige modificar el circuito 
asociado. Esto requiere un tiempo considerable en la mayoría de los casos, pues hay que 
modificar físicamente los circuitos cada vez que se desee cambiar el comportamiento del 
autónomo. 
 Dificultad de almacenamiento de una librería de circuitos para disponer de ellos en el 
momento necesario. 
2.3.2 Lógica programada. 
Gracias al desarrollo de los circuitos integrados programables, surge la posibilidad de realizar la 
programación en software de los comportamientos de los robots autónomos. Esta filosofía es 
denominada lógica programada, la cual garantiza flexibilidad, ya que reprogramando los 
controladores se consiguen los cambios deseados de comportamiento. 
A diferencia de los circuitos, es posible almacenar fácilmente los programas y disponer de una 
librería de programas que codifiquen una amplia gama de comportamientos utilizables ante 
distintas necesidades y contextos de trabajo. 
Además, la gran difusión de esta metodología de trabajo permite disponer de un conjunto de 
herramientas de dominio público, tanto para la programación, como la depuración, facilitando 
enormemente la tarea del desarrollador encargado de programar los controladores. 
Por lo general en un circuito, ya sea que tenga implementada lógica cableadao lógica 
programable,se pueden distinguir dos partes importantes: la electrónica de control y la 
electrónica de potencia, según lo indica Salido (2010). La primera de ellas corresponde a la parte 
del circuito en que se manejan tensiones empleadas en la “toma de decisión” del controlador; por 
lo tanto, interesa que el valor de potencia manejado sea lo más pequeño posible. Por el contrario, 
en el circuito de potencia se manejan niveles de tensión e intensidad para alimentar los actuadores 
empleados (motores de CD comúnmente). 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
15 
 
Debido a la complejidad en el sistema de sensores, en este proyecto se ha decidido utilizar lógica 
programable. De manera específica, se utiliza como unidad de control el microcontrolador. 
2.3.2.1 El microcontrolador. 
Un microcontrolador es un sistema computador integrado en un único chip (Véase la figura 2.2). 
Posee memoria interna para almacenar programas de usuario y permite la conexión directa de 
señales eléctricas de E/S a los pines del chip. De este modo el microcontrolador integra en un 
único circuito integrado muchos componentes que en un sistema computador son externos al 
microprocesador. 
Palacios (2004) amplía la definición de microcontrolador diciendo que éste es un circuito 
integrado programable que contiene todos los componentes necesarios para controlar el 
funcionamiento de una tarea determinada. Un sistema con microcontrolador debe disponer de una 
memoria donde se almacena el programa que gobierna el funcionamiento del mismo que, una vez 
programado y configurado, puede desempeñar la tarea asignada. 
En general, para las aplicaciones de control se precisa menos memoria y capacidad de 
procesamiento que en las aplicaciones de proceso de datos. 
 
Figura 2.2 Esquema de los elementos funcionales de un microcontrolador. 
Los microcontroladores para control de vehículos móviles desempeñan su trabajo siguiendo dos 
posibles filosofías: 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
16 
 
Modo cliente servidor: En este caso, Salido (2010) dice que se ejecuta un programa servidor que 
se comunica – empleando habitualmente una línea serie – con otro microcontrolador o 
microprocesador que ejecuta un programa cliente. 
Modo autónomo (standalone): El microcontrolador ejecuta el programa de control 
independientemente de otros dispositivos de procesamiento. 
Dependiendo del método de programación hay distintas posibilidades de desarrollo con los 
microcontroladores: 
Programación a bajo nivel: Se emplea con microcontroladores programadosdesde un 
computador auxiliar empleando técnicas de compilación cruzada.
8
 Una vez realizada la 
compilación el código ejecutable obtenido se descarga en el microcontrolador destino. El coste 
para una solución de este tipo es reducido, teniendo en cuenta que el precio de un 
microcontrolador no es muy alto, aunque algunas veces las herramientas de programación son 
costosas. 
Programación nativa en lenguaje de alto nivel: En este caso se emplea un lenguaje de alto nivel 
interpretado en el propio microcontrolador, obteniendo menor eficiencia que la obtenida con 
código no interpretado, pero con la ventaja de la mayor facilidad de trabajo para el desarrollador. 
A diferencia de la compilación cruzada, en este caso el código enviado al microcontrolador no es 
código ejecutable, sino código fuente que el microcontrolador interpreta. Un ejemplo de lenguaje 
de alto nivel es el lenguaje C++. 
2.4 Actuadores 
Los sistemas de actuadores, según Bolton (2006), son elementos de los sistemas de control que 
transforman la salida de un microprocesador o un sistema de control en una acción de control para 
una máquina o dispositivo. Por ejemplo, si es necesario transformar una salida eléctrica del 
controlador en un movimiento lineal que realiza el desplazamiento de una carga. Otro ejemplo 
sería cuando la salida eléctrica del controlador anterior requiere transformarse en una acción, que 
controle la cantidad de líquido que entra y circula en una tubería. En este apartado se explican los 
actuadores básicos del vehículo desarrollado, así como sus principios de operación. 
 
 
8 Consiste en la compilación sobre un computador generando código ejecutable para una máquina objetivo diferente a la 
empleada para compilar. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
17 
 
2.4.1 Motor de CD 
 
Bolton (2006) explica que los motores eléctricos con frecuencia se usan como elemento de control 
final en los sistemas de control por posición o de velocidad. Los motores se pueden clasificar en 
dos categorías principales: motores de CD y motores de CA. La mayoría de los motores que se 
emplean en los sistemas de control modernos son motores de CD. A continuación se explican 
algunos de los aspectos relevantes de los motores de corriente directa. 
2.4.1.1 Principios básicos de operación. 
La figura 2.3muestra el principio básico de un motor de CD; una espiral de alambre que gira de 
manera libre en medio del campo de un imán permanente. Cuando por el devanado pasa una 
corriente, las fuerzas resultantes ejercidas en sus lados y en ángulo recto al campo provocan 
fuerzas que actúan a cada lado produciendo una rotación. Sin embargo, para que esto continúe, 
cuando el devanado pasa por la posición vertical, se debe invertir la dirección de la corriente. 
 
Figura 2.3 Elementos básicos de un motor de CD. 
 
En un motor de CD convencional, los devanados de alambre se montan en las ranuras de un 
cilindro de material magnético conocido como armadura. La armadura está montada en cojinetes y 
puede girar. Ésta se monta en el campo magnético producido por los polos de campos que pueden 
ser, en pequeños motores, por ejemplo, imanes permanentes o electroimanes, cuyo magnetismo se 
obtiene mediante una corriente que circula por los devanados de campo. La figura 2.4 muestra el 
principio básico del funcionamiento de un motor de CD de cuatro polos, cuyo campo magnético 
se produce por devanados que transportan corriente. Los extremos de los devanados de la 
armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como 
conmutador y el contacto eléctrico con los segmentos se logra mediante contactos de carbón 
conocidos como escobillas. Conforme la armadura gira, el conmutador invierte la corriente de 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
18 
 
cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo. Esto es necesario a fin de que 
las fuerzas que actúan en el devanado sigan actuando en la misma dirección y la rotación continúe. 
La dirección de rotación del motor de CD se invierte cuando se invierte la corriente de la 
armadura o la corriente de campo. 
 
Figura 2.4 Motor de CD. 
2.4.1.2 Control de un motor de CD mediante PWM. 
Bolton (2006) sigue explicando que la velocidad que alcanza un motor de imán permanente 
depende de la magnitud de la corriente que pasa por el devanado de la armadura. 
En un motor con devanado de campo, la velocidad se modifica variando la corriente de la 
armadura, o la de campo; en general, es la primera la que se modifica. Por lo tanto, para controlar 
la velocidad se puede utilizar el control del voltaje que se aplica a la armadura. Sin embargo, dado 
que el empleo de fuentes de voltaje de valor fijo es frecuente, el voltaje variable se logra mediante 
un circuito electrónico. 
En una fuente de corriente alterna, se utiliza un circuito tiristor para controlar el voltaje promedio 
que se aplica a la armadura. Sin embargo, lo más común es que se ocupe de señales de control 
provenientes de microprocesadores o microcontroladores. De ahí que lo más común es utilizar la 
técnica llamada modulación por ancho de pulso (PWM)
9
, la cual utiliza una fuente de voltaje de 
corriente directa constante y selecciona su voltaje para que varíe su valor promedio (figura 2.5). 
 
9 PWM, de sus iniciales en el idioma inglés: Pulse WidthModulation.CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
19 
 
 
Figura 2.5 PWM. 
a) Principio del circuito PWM. 
b) Variación del voltaje promedio de armadura mediante el seleccionado de voltaje de CD. 
La figura 2.6 muestra cómo obtener la modulación en ancho de pulso utilizando un circuito de 
transistor básico. El transistor se activa y desactiva mediante una señal que se aplica a su base. El 
diodo tiene por objeto servir de trayectoria a la corriente que surge cuando el transistor se 
desconecta, debido a que el motor se comporta como un generador. Este circuito sólo se usa para 
operar el motor en una dirección. Para utilizar el motor en dirección directa e inversa se utiliza un 
circuito con cuatro transistores, conocido como circuito H o puente H (figura 2.7). Este circuito se 
puede modificar mediante compuertas lógicas, de manera que una entrada controle la 
conmutación y la otra la dirección de la rotación (figura 2.8). 
 
Figura 2.6 Circuito básico para generar PWM. 
Interruptor de alta frecuencia 
controlado electrónicamente para 
seccionar la corriente directa. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
20 
 
 
Figura 2.7 Circuito en H o Puente H. 
 
Figura 2.8Circuito en H o puente H modificado. 
Los anteriores son ejemplos de control en malla abierta, para los cuales se supone que las 
condiciones permanecen constantes, por ejemplo, el voltaje de alimentación y la carga que 
desplaza el motor. En los sistemas de control de malla cerrada se utiliza la retroalimentación para 
modificar la velocidad del motor si cambian las condiciones. La figura 2.9 muestra algunos 
métodos que se pueden emplear. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
21 
 
 
Figura 2.9 Control de velocidad con retroalimentación. 
En la figura 2.9a, un tacogenerador
10
 produce la señal de retroalimentación, lo cual genera una 
señal analógica que es necesario convertir en una señal digital utilizando un CAD
11
, para 
introducirla en un microcontrolador. La salida que produce éste se convierte en una señal 
analógica con un CDA
12
 para variar el voltaje aplicado a la armadura del motor de CD. En la 
figura 2.9b un codificador produce la señal de retroalimentación y de esta manera se genera una 
señal digital que después de pasar por una conversión de código, se puede alimentar en forma 
directa al microcontrolador. Al igual que en la figura 2.9a, el sistema tiene un voltaje analógico 
 
10 Es un dispositivo para medir la velocidad angular. Su funcionamiento es sencillo: convertir la energía rotacional del eje en 
cuestión en energía eléctrica, proporcional a la rotacional y que puede ser fácilmente medida. 
11CAD: Convertidor Analógico Digital. 
12CDA: Convertidor Digital Analógico. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
22 
 
sujeto a variación para controlar la velocidad del motor. En la figura 2.9cel sistema es 
completamente digital y la PWM sirve para controlar el voltaje promedio que se aplica a la 
armadura. 
Ahora que se sabe que el sentido de giro de un motor de corriente continua depende de la 
polaridad que se aplica a sus terminales, Palacios (2009) confirma que para cambiar el giro es 
necesario intercambiar las terminales del motor o cambiar la polaridad de alimentación, utilizando 
para este fin el puente en H. 
En cuanto al sistema de control de velocidad, el cual se logra mediante la modulación de ancho de 
pulso, Palacios (2009) amplia y confirma la información antes mostrada de la siguiente forma: 
La regulación PWM proporciona un eficaz método mediante la utilización de una simple señal 
digital de control. Mediante esta señal se consigue que el valor medio de la señal de alimentación 
de un motor de CD varíe, de tal manera que cuando más tiempo este la línea digital en nivel alto, 
el motor girará más rápido, pues como se ha mencionado anteriormente, se varía el voltaje de 
alimentación del motor. Lógicamente, si la duración del impulso a nivel bajo es muy grande el 
motor se parará. La siguiente figura (figura 2.10) ayuda a comprender de mejor manera lo antes 
dicho. 
 
Figura 2.10 Control de velocidad para un motor de CD mediante PWM. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
23 
 
 
2.4.2 Servomotor. 
Palacios (2004) afirma que es muy común el uso de servomotores en prototipos, ya que son 
dispositivos pequeños y tienen muchas aplicaciones, tales como, el control sobre el acelerador de 
un motor de combustión, en el timón de un barco o de un avión, en el control de dirección de un 
coche, entre otras(véase la figura 2.11). Su pequeño tamaño, bajo consumo, además de una buena 
robustez y notable precisión, los hacen ideales para la construcción de robots. 
 
Figura 2.11 Servomotor. 
Un servomotor está constituido por un pequeño motor de corriente continua, unas ruedas dentadas 
que trabajan como reductoras, lo que le da una potencia considerable, y una pequeña tarjeta de 
circuito impreso con la electrónica necesaria para su control. La figura 2.12muestra el despiece de 
este tipo de motor. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
24 
 
 
Figura 2.12 Despiece de un servomotor. 
2.4.2.1 Principios básicos de operación. 
La tensión de alimentación suele estar comprendida entre los 4 y 8 volts. El control de un servo se 
limita a indicar en qué posición se debe situar, mediante una señal cuadrada TTL modulada en 
anchura de pulsos (PWM). La duración del nivel alto de la señal indica la posición en donde se 
requiere poner el eje del motor. El potenciómetro que el servomotor tiene unido al eje del motor 
(ver figura 2.12) indica al circuito electrónico de control interno mediante una retroalimentación, 
si éste ha llegado a la posición deseada. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
25 
 
 
Figura 2.13 Características de la señal PWM que permiten controlar un servomotor. 
La duración de los pulsos indica el ángulo de giro del motor, como muestra la figura 2.13. Cada 
servomotor tiene sus márgenes de operación, que corresponden con el ancho de pulso máximo y 
mínimo que el servo interpreta mediante su circuito interno de control y que en principio, 
mecánicamente no puede sobrepasar. Estos valores varían dependiendo del modelo de servomotor 
utilizado. Si se sobrepasan los límites de movimiento del servomotor, éste comenzará a vibrar o a 
emitir un zumbido, anunciando un cambio en la anchura del pulso. 
El periodo entre cada pulso no es crítico. Se suelen emplear valores entre 10ms y 30ms, aunque lo 
habitual es utilizar 20ms, que implica una frecuencia de 50Hz. Si el intervalo entre pulso y pulso 
es inferior al mínimo puede interferir con la temporización interna del servomotor causando un 
zumbido y la vibración del eje de salida. Palacios (2004) sigue diciendo que, para mantener en la 
misma posición a un servomotor es necesario enviarle continuamente un pulso de anchura 
constante. De este modo si existe alguna fuerza que le obligue a abandonar esta posición intentara 
oponerse. Si se deja de enviar pulsos, o el intervalo entre pulsos es mayor del máximo permitido, 
entonces el servomotor perderá fuerza y no podrá conservar su posición de modo que cualquier 
fuerza externa podría desplazarlo. 
En cuanto a sus terminales, Palacios (2004) menciona que este tipo de motores disponen de tres 
terminales: 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
26 
 
 Positivo de alimentación unido al cable de color rojo. 
 Tierra o negativo, que por lo general está indicado en color negro. 
 Señal de entrada de pulsos, cuyo cable suele ser de color blanco, amarillo o naranja. 
2.5 Sensores. 
El término sensor se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la cantidad que 
se está midiendo, según dice Bolton (2006). Por ejemplo, en el caso de un elemento para medir 
temperatura mediante resistencia eléctrica, la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor 
transforma una entrada de temperatura en un cambio en la resistencia. 
Un transductor se define como el elemento que al someterlo a un cambio físico experimentaun 
cambio relacionado. Un sistema de medición puede utilizar transductores, además de sensores, en 
otras partes del sistema para convertir señales de una forma dada en otra distinta.Además, un 
sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable a 
medir o a controlar. En este apartado se muestra el funcionamiento de los sensores que se usan 
para la implementación del carro y sus principios básicos de operación. 
2.5.1 Sensores optoelectrónicos. 
La luz como se emplea en muchos sectores de la técnica y de la vida cotidiana en sistemas de 
control y regulación. Para ello se evalúa una variación de la intensidad de luz en un segmento 
óptico (entre emisor y receptor) que es producida por un objeto a detectar. En función de las 
características de este objeto y de la estructura del segmento óptico se interrumpe el haz luminoso 
o se refleja, o bien, se dispersa el mismo. Frecuentemente se utilizan como emisores leds de luz 
infrarroja a impulsos controlados por reloj y como receptores se utilizan fototransistores, aunque 
existen otros mecanismos de detección. 
El diagrama de bloques general de un sensor de este tipo se puede apreciar en la figura 2.14. 
 
Figura 2.14 Diagrama de bloques de un sensor óptico. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
27 
 
En los siguientes párrafos se explican los aspectos relevantes de los sensores optoelectrónicos que 
se utilizarán para el sistema de control. 
2.5.1.1 Fotodiodo. 
El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una característica que 
lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica 
proporcional a la cantidad de luz que lo incide (o que lo ilumina, Figura 2.15). 
El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz en 
electricidad y esta variación de electricidad es la que se utiliza para informar que hubo un cambio 
en el nivel de iluminación sobre el fotodiodo. 
Si el fotodiodo quedara conectado, de manera que por él circule corriente y sepolarice en sentido 
directo, la luz que lo incide no tendría efecto sobre él y se comportaría como un diodo 
semiconductor normal. La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra 
la cantidad de luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente. 
El fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más 
velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño. 
Si se combina un fotodiodo con un transistor bipolar, colocando el fotodiodo entre el colector y la 
base del transistor (con el cátodo del diodo apuntado al colector del transistor), se obtiene el 
circuito equivalente de un fototransistor. 
 
Figura 2.15 Fotodiodo. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
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2.5.1.2 Fototransistor. 
El fototransistor (figura 2.16a) es muy utilizado para aplicaciones donde la detección de 
iluminación es muy importante. Un fototransistor opera, en esencia, de la misma que un transistor 
normal, sólo que cuando la luz que incide en este elemento actúa como corriente de base. 
El fototransistor se utiliza principalmente con el pin de la base sin conectar. ( ) 
Si se desea aumentar la sensibilidad del transistor, debido a la baja iluminación, se puede 
incrementar la corriente de base , con ayuda de polarización externa. El circuito equivalente de 
un fototransistor, es un transistor común con un fotodiodo conectado entre la base y el colector, 
con el cátodo del fotodiodo conectado al colector del transistor y el ánodo a la base. 
Una característica importante es que tiene un tiempo de respuesta muy corto, sólo que su entrega 
de corriente eléctrica es mucho mayor. En la figura siguiente (2.16b) se puede ver el circuito 
equivalente de un fototransistor. Se observa que está compuesto por un fotodiodo y un transistor. 
La corriente que entrega el fotodiodo (circula hacia la base del transistor) se amplifica ß veces, y 
es la corriente que puede entregar el fototransistor. ß es la ganancia de corriente del fototransistor. 
 
Figura 2.16 Fotodiodo. 
a) Símbolo. 
b) Circuito equivalente de un fototransistor. 
2.5.1.3 Opto transistor de encapsulado ranurado. 
Considerado como un opto aislador o dispositivo de acoplamiento óptico. Basa su funcionamiento 
en el empleo de un haz de radiación luminosa para pasar señales de un circuito a otro sin conexión 
eléctrica. 
Fundamentalmente este dispositivo está formado por una fuente emisora de luz, y un foto sensor 
de silicio, que se adapta a la sensibilidad espectral del emisor luminoso. La figura 2.17 muestra 
este dispositivo. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
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Figura 2.17Opto transistor de encapsulado ranurado. 
En general, este dispositivo puede sustituir a los relevadores mecánicos, ya que tiene una 
velocidad de conmutación mayor, así como ausencia de rebotes. 
2.5.1.4 Cámara de sensor lineal. 
 
Consiste en un arreglo de fotodetectores. Estos pueden ser fotodiodos o fototransistores, asociados 
con circuitería para amplificar la señal, y funciones de captura de pixel. Por lo general cuentan 
con una lente que permite enfocar la imagen. 
Es común asociar a este tipo de cámaras el concepto de barrido lineal, lo cual transmite la idea de 
construir una imagen línea a línea, utilizando un sensor lineal, de forma que la cámara se desplaza 
con respecto al objeto a capturar, o bien el objeto se desplaza con respecto a la cámara. 
2.5.1.4.1 Principiosbásicos de operación. 
Este tipo de cámaras utilizan un arreglo de fotodetectores combinado con una lente, como se ha 
dicho anteriormente. La luz que es reflejada desde el exterior incide a través de la lente. Cada uno 
de los fotodetectores almacena energía en capacitores que ganan carga dependiendo de la 
intensidad de la luz que incide en el fotodetector asociado a un capacitor. El sensor entrega un 
valor por cada pixel mediante una línea de salida. La siguiente imagen ilustra el procedimiento 
antes mencionado (figura 2.18). El sensor utilizado en este tipo de cámaras se muestra en la figura 
2.19. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
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Figura 2.18Cámara con sensor lineal. 
Debido a que este tipo de cámaras usan sensores lineales, no es posible obtener una captura de 
todo el ángulo visible en una sola captura. Solo puede mostrar una línea del panorama completo, 
como se muestra en la figura 2.20. 
 
Figura 2.19 Sensor lineal de imágen. 
 
Figura 2.20 Forma de captura de una cámara con sensor lineal. 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 
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Entonces, la línea a capturar depende completamente de la distancia desde la línea hasta la lente 
como se muestra en la figura 2.20. Finalmente esta imagen está representada en una señal 
analógica, como se muestra en la figura 2.21. 
 
Figura 2.21 Señal de salida de un sensor lineal. 
Se considera que el objeto “observado” es la dona mostrada en la figura 2.20 
 
 
 
 
CAPÍTULO 3 
TEORÍA DEL CONTROL PID. 
3.1 Introducción al control de procesos. 
Como lo indican Balcells y Romeral (1998), el concepto de control es extraordinariamente amplio, 
abarcando desde un simple interruptor que gobierna el encendido de una bombilla o el grifo que 
regula el paso de agua en una tubería hasta el más complejo ordenador de proceso o el piloto 
automático de un avión. 
Se puede definir el control como la manipulación indirecta de las magnitudes de un sistema 
denominado planta a través de otro sistema llamado sistema de control. La figura 3.1 muestra 
esquemáticamente un diagrama de bloques con los dos elementos esenciales: sistema de control y 
planta. 
 
Figura 3.1 Sistema de control. 
Los primeros sistemas de control se desarrollaron con la revolución industrial a finales del siglo 
XIX y principios del siglo XX. Al principio, se basaron casi exclusivamente en componentes 
mecánicos y electromecánicos, básicamente engranajes, palancas, relés