NOTA DE SEGURIDAD: Este es un prototipo educativo que trata sobre robótica física y piezas móviles. Coloque siempre el UGV sobre bloques (con las ruedas en el aire) durante las pruebas iniciales para evitar escenarios de descontrol. Asegúrese de que la fuente de alimentación de su motor tenga un interruptor de apagado de emergencia por hardware o pueda desconectarse rápidamente.
Objetivo y caso de uso
Qué construirá: Un prototipo de Vehículo Terrestre No Tripulado (UGV) teleoperado a prueba de fallos que acepta comandos direccionales pero detiene automáticamente el movimiento hacia adelante si un interruptor físico en el parachoques delantero detecta un obstáculo.
Por qué es importante / Casos de uso
- Robótica de almacenes: Las anulaciones por parachoques de hardware evitan colisiones si la red se retrasa o el operador humano comete un error durante la teleoperación remota.
- Vehículos de inspección remota: Proporciona un mecanismo de parada táctil inmediato y a prueba de fallos al navegar por espacios reducidos (tuberías, entresuelos) donde la percepción de profundidad de la cámara es limitada.
- Sistemas de seguridad redundantes: Demuestra cómo los comandos de software de alto nivel deben subordinarse a los sensores de hardware locales de bajo nivel para un diseño de sistema robusto y de baja latencia (< 5ms).
Resultado esperado
- Un bucle de control basado en Python ejecutándose consistentemente a 20Hz.
- Ingesta no bloqueante de comandos de teleoperación por teclado (W/A/S/D/X) con latencia cercana a cero.
- Sondeo GPIO en tiempo real de un interruptor de parachoques delantero que anula instantáneamente los comandos de avance al hacer contacto.
Audiencia: Desarrolladores de robótica, Estudiantes; Nivel: Intermedio
Arquitectura/flujo: Entrada de teclado no bloqueante → Nodo de control en Python (20Hz) → Controlador de motores (Subordinado a interrupciones GPIO de hardware)
Nota educativa de validación
Antes de publicar este caso, el contenido pasó la puerta automática de validación de Prometeo con estado PASS. El validador comprobó los bloques de código, la estructura del artículo, los comandos copiables y la coherencia con el catálogo de dispositivos soportados.
Evidencia de validación publicada
- Resultado automático: PASS.
- Estructura parseada: 3 apartados, 3 tablas y 3 bloques de código detectados antes de publicar.
- Código comprobado: 2 Python/py_compile.
- Catálogo soportado: el texto se contrastó contra los perfiles de dispositivo validables de Prometeo y los stacks no soportados bloquean la publicación.
- Hallazgos del informe: sin hallazgos bloqueantes.
Esta validación confirma compatibilidad sintáctica y de herramientas para el material publicado, pero no sustituye la prueba física sobre tu hardware, cableado y entorno exactos.
Nota educativa de seguridad
Este proyecto es un prototipo educativo, no un producto certificado. Antes de encender la configuración, verifique la distribución de pines (pinout) de la revisión exacta de su placa ULX3S, mantenga las señales de E/S de la FPGA a 3.3 V, nunca conecte 5 V directamente a los pines de E/S, desconecte la alimentación antes de cambiar el cableado y use fuentes de alimentación externas adecuadas para cargas, motores o servos, compartiendo la tierra solo cuando el cableado lo requiera.
Diagrama de bloques conceptual
Vista de alto nivel: qué entra, qué procesa cada bloque y qué sale del sistema.
Arquitectura funcional
Flujo conceptual de control: entrada de botones, selección de modo, temporización PWM y movimiento del servo.
Ruta de validación
La validación automática comprueba sintaxis, simulación/lint y compatibilidad con la toolchain ULX3S/ECP5.
Requisitos previos
- Sistema operativo: Raspberry Pi OS Bookworm (64-bit) instalado en una Raspberry Pi 5.
- Entorno: Python 3.11+.
- Configuración del sistema: Interfaz I2C habilitada mediante
sudo raspi-config(Interfacing Options -> I2C). - Bibliotecas:
smbus2(para comunicación I2C) ygpiozero(para control estándar de GPIO). Instalar mediante:pip install smbus2 gpiozero.
Materiales
Para construir este caso práctico, debe usar EXACTAMENTE este modelo de dispositivo:
* Raspberry Pi 5 + PCA9685 PWM HAT + controlador de motor dual TB6612FNG + chasis UGV con interruptor de parachoques
* Fuente de alimentación: Fuente de alimentación USB-C de 5V/5A para la Raspberry Pi 5.
* Alimentación del motor: Paquete de baterías de 6V a 9V (ej., 4x o 6x AA, o una LiPo 2S) dedicado al pin VMOT del TB6612FNG para alimentar los motores de CC.
* Cableado: Cables puente (jumper) hembra-hembra y macho-hembra.
Configuración/Conexión
La arquitectura de hardware divide las responsabilidades: La Pi 5 maneja la lógica, el PCA9685 genera señales PWM de hardware precisas (descargando la temporización de la CPU de la Pi) y el TB6612FNG maneja la conmutación de alta corriente para los motores. El interruptor del parachoques actúa como una simple entrada digital.
1. Raspberry Pi 5 a PCA9685 PWM HAT
El PCA9685 se comunica a través de I2C.
| Pin Pi 5 | Función Pi 5 | Pin PCA9685 | Descripción |
|---|---|---|---|
| Pin 1 | 3.3V | VCC | Alimentación lógica para el chip PCA9685. |
| Pin 6 | GND | GND | Tierra común. |
| Pin 3 | GPIO 2 (SDA) | SDA | Línea de datos I2C. |
| Pin 5 | GPIO 3 (SCL) | SCL | Línea de reloj I2C. |
2. PCA9685 y Pi 5 a controlador de motor TB6612FNG
El TB6612FNG requiere señales PWM para la velocidad y señales lógicas estándar alto/bajo para la dirección. Usamos el PCA9685 para la velocidad y los GPIO de la Pi para la dirección.
| Origen | Pin de origen | Pin TB6612FNG | Descripción |
|---|---|---|---|
| PCA9685 | PWM Channel 0 | PWMA | Control de velocidad para el Motor A (Izquierdo). |
| PCA9685 | PWM Channel 1 | PWMB | Control de velocidad para el Motor B (Derecho). |
| Pi 5 | Pin 15 (GPIO 22) | AIN1 | Control de dirección 1 para el Motor A. |
| Pi 5 | Pin 16 (GPIO 23) | AIN2 | Control de dirección 2 para el Motor A. |
| Pi 5 | Pin 18 (GPIO 24) | BIN1 | Control de dirección 1 para el Motor B. |
| Pi 5 | Pin 22 (GPIO 25) | BIN2 | Control de dirección 2 para el Motor B. |
| Pi 5 | Pin 1 | VCC | Alimentación lógica (3.3V). |
| Batería | Terminal positivo | VMOT | Alimentación del motor (6V – 9V). |
| Batería | Terminal negativo | GND | Tierra común (unir al GND de la Pi). |
3. Interruptor de parachoques a Raspberry Pi 5
El parachoques es un microinterruptor simple configurado como normalmente abierto (NO). Usaremos la resistencia pull-up interna de la Pi. Con el pull-up interno habilitado: sin presionar = True (Alto), presionado = False (Bajo). La biblioteca gpiozero abstrae automáticamente esta lógica para que la propiedad is_active devuelva True cuando se presiona el botón (llevado a bajo).
| Pin Pi 5 | Terminal del interruptor | Descripción |
|---|---|---|
| Pin 11 (GPIO 17) | COM (Común) | Entrada digital para el parachoques. |
| Pin 14 (GND) | NO (Normalmente abierto) | Lleva el GPIO 17 a bajo cuando se presiona. |
Código validado
El software se divide en dos módulos. El primer módulo (ugv_hardware.py) abstrae el hardware y proporciona una implementación simulada (mock) robusta para pruebas en seco (dry-run). El segundo módulo (ugv_teleop.py) contiene el detector de teclado no bloqueante y la lógica central de anulación de seguridad.
Archivo 1: ugv_hardware.py
Cree este archivo para manejar las interacciones de bajo nivel con los dispositivos.
Vista pública parcial del archivo validado. El código completo se muestra a miembros y en PDF/Print.
#!/usr/bin/env python3
"""
ugv_hardware.py
Hardware abstraction layer for UGV Chassis.
Supports dry-run mocking for validation on standard PCs.
"""
import logging
class MockBumper:
def __init__(self):
self._is_pressed = False
logging.info("[MOCK] Bumper initialized.")
@property
def is_pressed(self):
return self._is_pressed
def simulate_press(self, state: bool):
self._is_pressed = state
class RealBumper:
def __init__(self, pin: int):
from gpiozero import Button
# Internal pull-up: unpressed = True (High), pressed = False (Low)
self.button = Button(pin, pull_up=True)
logging.info(f"[HARDWARE] Bumper initialized on GPIO {pin}.")
@property
def is_pressed(self):
return self.button.is_active
class MockMotorController:
def __init__(self):
self.left_speed = 0.0
self.right_speed = 0.0
logging.info("[MOCK] Motor controller initialized.")
def set_motors(self, left_speed: float, right_speed: float):
self.left_speed = max(-1.0, min(1.0, left_speed))
self.right_speed = max(-1.0, min(1.0, right_speed))
logging.debug(f"[MOCK] Motors set -> Left: {self.left_speed:.2f}, Right: {self.right_speed:.2f}")
class RealMotorController:
# ... continúa para miembros en el código completo validado ...#!/usr/bin/env python3
"""
ugv_hardware.py
Hardware abstraction layer for UGV Chassis.
Supports dry-run mocking for validation on standard PCs.
"""
import logging
class MockBumper:
def __init__(self):
self._is_pressed = False
logging.info("[MOCK] Bumper initialized.")
@property
def is_pressed(self):
return self._is_pressed
def simulate_press(self, state: bool):
self._is_pressed = state
class RealBumper:
def __init__(self, pin: int):
from gpiozero import Button
# Internal pull-up: unpressed = True (High), pressed = False (Low)
self.button = Button(pin, pull_up=True)
logging.info(f"[HARDWARE] Bumper initialized on GPIO {pin}.")
@property
def is_pressed(self):
return self.button.is_active
class MockMotorController:
def __init__(self):
self.left_speed = 0.0
self.right_speed = 0.0
logging.info("[MOCK] Motor controller initialized.")
def set_motors(self, left_speed: float, right_speed: float):
self.left_speed = max(-1.0, min(1.0, left_speed))
self.right_speed = max(-1.0, min(1.0, right_speed))
logging.debug(f"[MOCK] Motors set -> Left: {self.left_speed:.2f}, Right: {self.right_speed:.2f}")
class RealMotorController:
def __init__(self, i2c_bus=1, pca_addr=0x40):
import smbus2
from gpiozero import DigitalOutputDevice
self.bus = smbus2.SMBus(i2c_bus)
self.pca_addr = pca_addr
# Initialize PCA9685
self.bus.write_byte_data(self.pca_addr, 0x00, 0x10) # Sleep
self.bus.write_byte_data(self.pca_addr, 0xFE, 0x79) # Set prescaler for ~50Hz
self.bus.write_byte_data(self.pca_addr, 0x00, 0x20) # Auto-increment
# Initialize TB6612FNG Direction Pins
self.ain1 = DigitalOutputDevice(22)
self.ain2 = DigitalOutputDevice(23)
self.bin1 = DigitalOutputDevice(24)
self.bin2 = DigitalOutputDevice(25)
logging.info("[HARDWARE] Motor controller initialized via PCA9685 and GPIO.")
def _set_pwm(self, channel: int, duty_cycle: float):
# Duty cycle from 0.0 to 1.0 mapped to 0-4095
val = int(duty_cycle * 4095)
self.bus.write_byte_data(self.pca_addr, 0x06 + 4*channel, 0)
self.bus.write_byte_data(self.pca_addr, 0x07 + 4*channel, 0)
self.bus.write_byte_data(self.pca_addr, 0x08 + 4*channel, val & 0xFF)
self.bus.write_byte_data(self.pca_addr, 0x09 + 4*channel, val >> 8)
def set_motors(self, left_speed: float, right_speed: float):
# Constrain speeds
left_speed = max(-1.0, min(1.0, left_speed))
right_speed = max(-1.0, min(1.0, right_speed))
# Left Motor (Motor A)
if left_speed >= 0:
self.ain1.on()
self.ain2.off()
self._set_pwm(0, left_speed)
else:
self.ain1.off()
self.ain2.on()
self._set_pwm(0, -left_speed)
# Right Motor (Motor B)
if right_speed >= 0:
self.bin1.on()
self.bin2.off()
self._set_pwm(1, right_speed)
else:
self.bin1.off()
self.bin2.on()
self._set_pwm(1, -right_speed)
class UGVChassis:
def __init__(self, dry_run: bool):
self.dry_run = dry_run
if dry_run:
self.bumper = MockBumper()
self.motors = MockMotorController()
else:
self.bumper = RealBumper(pin=17)
self.motors = RealMotorController()
def halt(self):
self.motors.set_motors(0.0, 0.0)
Archivo 2: ugv_teleop.py
Cree este archivo para manejar la lógica de control y las anulaciones de seguridad. Asegúrese de que ambos archivos estén en el mismo directorio.
Vista pública parcial del archivo validado. El código completo se muestra a miembros y en PDF/Print.
#!/usr/bin/env python3
"""
ugv_teleop.py
Main teleoperation node with bumper safety override.
"""
import argparse
import logging
import time
import sys
import select
import termios
import tty
from ugv_hardware import UGVChassis
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(levelname)s - %(message)s')
class TeleopController:
def __init__(self, chassis: UGVChassis):
self.chassis = chassis
self.current_cmd = 'x'
self.running = True
def process_command(self, cmd: str):
speed_forward = 0.8
speed_turn = 0.5
left_cmd = 0.0
right_cmd = 0.0
if cmd == 'w':
left_cmd, right_cmd = speed_forward, speed_forward
elif cmd == 's':
left_cmd, right_cmd = -speed_forward, -speed_forward
elif cmd == 'a':
left_cmd, right_cmd = -speed_turn, speed_turn
elif cmd == 'd':
left_cmd, right_cmd = speed_turn, -speed_turn
elif cmd == 'x':
left_cmd, right_cmd = 0.0, 0.0
elif cmd == 'q':
self.running = False
return
# --- SAFETY OVERRIDE LOGIC ---
# If bumper is pressed, prevent ANY forward motion commands
if self.chassis.bumper.is_pressed:
if left_cmd > 0: left_cmd = 0.0
if right_cmd > 0: right_cmd = 0.0
logging.warning("BUMPER PRESSED! Forward motion disabled.")
self.chassis.motors.set_motors(left_cmd, right_cmd)
def get_key_non_blocking():
"""Reads a single character from stdin without blocking."""
if select.select([sys.stdin], [], [], 0.0)[0]:
return sys.stdin.read(1)
return None
# ... continúa para miembros en el código completo validado ...#!/usr/bin/env python3
"""
ugv_teleop.py
Main teleoperation node with bumper safety override.
"""
import argparse
import logging
import time
import sys
import select
import termios
import tty
from ugv_hardware import UGVChassis
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(levelname)s - %(message)s')
class TeleopController:
def __init__(self, chassis: UGVChassis):
self.chassis = chassis
self.current_cmd = 'x'
self.running = True
def process_command(self, cmd: str):
speed_forward = 0.8
speed_turn = 0.5
left_cmd = 0.0
right_cmd = 0.0
if cmd == 'w':
left_cmd, right_cmd = speed_forward, speed_forward
elif cmd == 's':
left_cmd, right_cmd = -speed_forward, -speed_forward
elif cmd == 'a':
left_cmd, right_cmd = -speed_turn, speed_turn
elif cmd == 'd':
left_cmd, right_cmd = speed_turn, -speed_turn
elif cmd == 'x':
left_cmd, right_cmd = 0.0, 0.0
elif cmd == 'q':
self.running = False
return
# --- SAFETY OVERRIDE LOGIC ---
# If bumper is pressed, prevent ANY forward motion commands
if self.chassis.bumper.is_pressed:
if left_cmd > 0: left_cmd = 0.0
if right_cmd > 0: right_cmd = 0.0
logging.warning("BUMPER PRESSED! Forward motion disabled.")
self.chassis.motors.set_motors(left_cmd, right_cmd)
def get_key_non_blocking():
"""Reads a single character from stdin without blocking."""
if select.select([sys.stdin], [], [], 0.0)[0]:
return sys.stdin.read(1)
return None
def run_self_test(controller: TeleopController):
"""Automated dry-run test sequence proving the safety logic."""
logging.info("Starting automated self-test sequence...")
# Test 1: Forward motion logic
controller.process_command('w')
assert controller.chassis.motors.left_speed == 0.8, "Left motor failed forward command."
assert controller.chassis.motors.right_speed == 0.8, "Right motor failed forward command."
logging.info("Test 1 Passed: Forward command executed correctly.")
# Test 2: Bumper override
controller.chassis.bumper.simulate_press(True)
controller.process_command('w')
assert controller.chassis.motors.left_speed == 0.0, "Safety override failed on left motor!"
assert controller.chassis.motors.right_speed == 0.0, "Safety override failed on right motor!"
logging.info("Test 2 Passed: Bumper successfully halted forward motion.")
# Test 3: Reverse motion while bumper pressed
controller.process_command('s')
assert controller.chassis.motors.left_speed == -0.8, "Reverse failed during bumper press."
assert controller.chassis.motors.right_speed == -0.8, "Reverse failed during bumper press."
logging.info("Test 3 Passed: Reverse escape maneuvers remain active.")
logging.info("All self-tests passed successfully.")
def main():
parser = argparse.ArgumentParser(description="UGV Teleop Node")
parser.add_argument('--dry-run', action='store_true', help="Run without hardware")
parser.add_argument('--self-test', action='store_true', help="Run automated safety validation")
args = parser.parse_args()
chassis = UGVChassis(dry_run=args.dry_run or args.self_test)
controller = TeleopController(chassis)
if args.self_test:
run_self_test(controller)
return
print("UGV Teleop Started. Keys: W (fwd), S (rev), A (left), D (right), X (stop), Q (quit)")
old_settings = termios.tcgetattr(sys.stdin)
try:
tty.setcbreak(sys.stdin.fileno())
while controller.running:
cmd = get_key_non_blocking()
if cmd:
controller.current_cmd = cmd.lower()
controller.process_command(controller.current_cmd)
time.sleep(0.05) # 20Hz loop
finally:
termios.tcsetattr(sys.stdin, termios.TCSADRAIN, old_settings)
chassis.halt()
print("\nUGV Teleop Stopped.")
if __name__ == "__main__":
main()
Método de validación y evidencia esperada
Para garantizar que la lógica a prueba de fallos funcione perfectamente antes de implementarla en hardware real de alta corriente, valide el sistema utilizando el modo de autocomprobación incorporado.
Pasos de validación:
1. Abra un terminal y ejecute el parámetro de autocomprobación: python3 ugv_teleop.py --self-test
2. Ejecute la simulación interactiva: python3 ugv_teleop.py --dry-run
Evidencia esperada:
Al ejecutar --self-test, la aplicación utiliza las declaraciones assert de Python para verificar matemáticamente que la variable PWM final enviada a los motores descienda estrictamente a 0.0 cuando se emita un comando de avance simultáneamente con la presión del parachoques. La salida de la consola debe imprimir:
Test 1 Passed: Forward command executed correctly.
Test 2 Passed: Bumper successfully halted forward motion.
Test 3 Passed: Reverse escape maneuvers remain active.
All self-tests passed successfully.
Si la salida tiene éxito, la lógica central es sólida y puede eliminar la bandera --dry-run para ejecutar el bucle de control a 20Hz en el hardware físico. Cuando se presione el parachoques físico en el chasis real, la rotación de avance del motor cesará de inmediato.
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Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).
