Control de motores en robótica: ruta de aprendizaje
Podrá accionar motores CC con precisión de velocidad y sentido, medir su rotación con encoders y gobernar la cinemática de un robot diferencial.
Los motores son el punto donde las decisiones de un robot se convierten en movimiento. Esta ruta construye el control de motores desde la base: primero conmutar corriente real de motor de forma segura con un puente en H y PWM, después cerrar el lazo leyendo encoders para saber cuánto ha girado cada rueda y a qué velocidad, y finalmente combinar dos ruedas en dirección y odometría de tracción diferencial.
Recorra los nodos en orden: cada uno desbloquea el siguiente una vez completado. Al final podrá mandar las ruedas de un robot con precisión real, la base del seguimiento de línea, la resolución de laberintos y la navegación autónoma.
Antes de empezar
Debe sentirse cómodo cableando una protoboard y midiendo una tensión, y necesita un microcontrolador que ya sepa programar: un Arduino Uno es la elección habitual. No se requiere teoría de control; de eso se ocupa la ruta de PID, y esta ruta es un prerrequisito suyo.
Lo que podrá hacer
- Manejar un motor de CC con escobillas en ambos sentidos a una velocidad comandada, sin que el driver ni la placa se calienten.
- Explicar por qué un motor se queda quieto al 15 % de ciclo de trabajo y arranca al 30 %, y medir ese umbral en su propio hardware en lugar de adivinarlo.
- Convertir pulsos crudos de encoder en milímetros recorridos y milímetros por segundo, acertando con el factor de cuadratura ×4.
- Convertir un «gire 90° a la izquierda» en una velocidad de rueda izquierda y derecha, y predecir dónde acaba el robot solo con el movimiento de las ruedas.
- Dimensionar un motorreductor a partir de la masa y las ruedas de su propio robot, en vez de comprar el que venía en el kit y descubrirlo en la alfombra.
- Medir el backlash de su caja reductora en grados, y decir lo que le cuesta a su odometría.
- Calcular la mayor fuerza que su robot puede ejercer contra el suelo, y decir si lo que le detiene son los motores o los neumáticos.
Dónde se atasca la gente
Alimentar los motores desde el raíl de 5 V del controlador. Este es el fallo más común en un primer robot. El regulador no puede suministrar corriente de motor, así que el raíl cae, la placa entra en brownout y se reinicia, y el síntoma parece un fallo de software. Los motores tienen su propia fuente; solo la parte lógica del driver comparte los 5 V de la placa: la página de balance de potencia tiene la aritmética y la medición.
Sin masa común. El driver y el controlador deben compartir una referencia de masa o los pines de dirección no significan nada. Todo parece cableado correctamente y nada se mueve.
Esperar que la odometría se mantenga fiel. La odometría de rueda deriva sin límite: cada resbalón y cada milímetro de error en el diámetro de la rueda se acumula y nunca se corrige. Es excelente en un metro e inútil en cien. Esa limitación es la razón de que exista la ruta de mapeo.
Contar los flancos del encoder de forma inconsistente. Un encoder de cuadratura da cuatro flancos contables por ciclo. Contar uno y usar el factor ×4 de la hoja de datos deja todas las distancias fuera por un factor de cuatro, lo que parece una rueda mal calibrada hasta lo absurdo.
Culpar al controlador por la caja reductora. Un error que cambia de signo con la dirección es mecánico, no un fallo de ajuste. Un tren de engranajes tiene holgura, se carga en cada inversión, y un encoder montado en el eje del motor no ve nada de eso.
Qué necesita
| Qué | Por qué lo necesita esta ruta | Notas |
|---|---|---|
| Dos motorreductores de CC | El tema de toda la ruta | Las versiones con encoder cuestan un poco más y le ahorran una reconstrucción más adelante |
| Un driver de motores | Un puente en H, para que un pin lógico pueda mandar corriente de motor | L298N si vino en el kit, TB6612FNG si está comprando |
| Una batería de motores aparte | El raíl que los motores hunden hacia abajo no debe ser el que alimenta la placa | Cualquier pack que pueda suministrar la corriente de bloqueo |
| Un multímetro | Medir la corriente de bloqueo y la caída de alimentación | El modo de corriente importa aquí, no solo los voltios |
| Una cinta métrica | Comprobar que «avanzar 1 m» produjo 1 m | El instrumento más barato y más honesto del banco |
Por qué la ruta sigue este orden
El dimensionamiento precede al cableado a propósito. Casi todas las preguntas de «mi robot va demasiado lento» o «mi driver se quemó» son decisiones de dimensionamiento tomadas por accidente, meses antes, al usar el motor que venía en la caja. Calcular el par que necesita su propio robot lleva veinte minutos y zanja las preguntas que el resto de la ruta seguiría planteando.
La tracción viene inmediatamente después del dimensionamiento porque fija el segundo techo, y en un robot pequeño es el más bajo. El par de bloqueo dice lo que el motor puede producir; la fricción dice lo que el suelo va a aceptar. Un robot ligero sobre un suelo liso alcanza el límite de tracción con alrededor de un cuarto del par de bloqueo, lo que significa que las tres cuartas partes restantes de la capacidad de su motor no llegan al suelo. Dimensionar sin tracción le da un robot que es fuerte sobre el papel y gira sus ruedas en la práctica.
El PWM viene antes que los encoders porque un motor en lazo abierto es lo más simple que puede fallar, y es mucho más fácil depurar un fallo de cableado cuando no hay un lazo de control superpuesto. Primero consiga que ambas ruedas giren en ambos sentidos al ciclo de trabajo comandado.
Los encoders vienen antes que la tracción diferencial porque la tracción diferencial es aritmética sobre el movimiento medido de las ruedas. Sin encoders puede girar, pero no puede decir dónde fue el robot, y la mitad de odometría de ese nodo no tiene nada con lo que trabajar.
Los perfiles de movimiento y los dos nodos de pérdida van al final porque cada uno corrige algo que los nodos anteriores le dejaron creer. Los perfiles de movimiento corrigen la idea de que se puede mandar una posición directamente. El patinaje de rueda corrige la idea de que el encoder mide el suelo. El backlash corrige la idea de que el encoder mide la rueda. Los tres son decepciones, y los tres son más baratos de aprender aquí que en un robot que está intentando terminar.
Puntos de control: cómo saber que una etapa caló
| Etapa | La comprobación | Qué es un aprobado |
|---|---|---|
| Dimensionamiento del motor | Calcular el par necesario a partir de la masa del robot, el radio de rueda y la aceleración objetivo | Un número en N·m comparable con una hoja de datos, y además conoce la corriente de bloqueo de su motor |
| Límite de tracción | Mantener el robot quieto contra una báscula de cocina a plena aceleración | La lectura se estabiliza muy por debajo de la fuerza de bloqueo del motor, y las ruedas están girando |
| Control por PWM | Barrer el ciclo de trabajo de 0 a 255 en pasos de 5 en cada rueda | Puede nombrar el ciclo de trabajo en el que cada rueda empieza a girar, y los dos números difieren |
| Control de dirección | Mandar adelante, atrás y freno en ambos canales | Los seis estados se comportan, y puede explicar qué hace el freno de forma distinta a la inercia |
| Encoders | Empujar el robot exactamente 1 m con la mano y leer las cuentas | Las cuentas convertidas dan 1000 mm ± 20 mm, usando el factor de cuadratura ×4 |
| Tracción diferencial | Mandar un giro de 90° y medir con un transportador | Dentro de unos pocos grados, y repetible: un error consistente es backlash, uno aleatorio es patinaje |
| Perfiles de movimiento | Mandar un recorrido corto y uno largo con los mismos límites | El recorrido corto nunca alcanza la velocidad máxima, y puede decir por qué a partir de la forma del perfil |
| Backlash | Girar la rueda con la mano hasta el punto de resistencia en cada dirección | Tiene un número en grados, y no es cero |
Dónde termina esta ruta
Esta ruta termina en el mandado preciso del movimiento. No cierra un lazo alrededor de un objetivo externo: no hay línea que seguir, ni pared que mantener, ni consigna sobre la que converger. Eso es el control PID, y da por sentado todo lo de aquí.
Tres omisiones deliberadas que conviene nombrar. Los motores sin escobillas y los ESC son un problema de control distinto, y casi ningún robot pequeño de tierra necesita uno. Los motores paso a paso cambian el encoder por posición en lazo abierto a cambio de par y velocidad, que es el intercambio correcto para una impresora y el equivocado para un rover: tienen su propia ruta en movimiento de precisión con paso a paso. Las tracciones holonómicas —ruedas mecanum y omni que pueden moverse de lado— necesitan cuatro ruedas controladas de forma independiente y un conjunto distinto de cinemática, y tienen su propia ruta en tracción holonómica. Y la medición de corriente —medir lo que el motor está consumiendo realmente, en lugar de lo que usted mandó— es la forma profesional de detectar un bloqueo, y es realmente útil, pero requiere hardware que la mayoría de drivers iniciales no tienen.
Ruta de aprendizaje
La ruta
Sigue los nodos en orden: cada uno desbloquea el siguiente cuando lo completas. Tu progreso se guarda en este dispositivo.
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Preguntas comunes
Preguntas frecuentes
¿Qué se necesita aprender para dominar el control de motores en robótica?
Cuatro etapas secuenciales. Primero, dimensionamiento: convertir la masa y el diámetro de rueda en los valores reales de par y rpm requeridos para no depender del azar del kit. Segundo, conmutación: puentes en H y modulación PWM para gobernar corrientes elevadas desde pines lógicos de microcontrolador. Tercero, medición: encoders de cuadratura para comprobar el desplazamiento físico real en vez de estimarlo teóricamente. Cuarto, integración: cinemática diferencial para transformar velocidades de ruedas en rumbo y traslación cartesiana.
¿Por qué el motor no gira hasta alcanzar aproximadamente el 30 % de ciclo PWM?
Porque es necesario vencer la fricción estática interna del rotor y los rozamientos de la caja reductora. Por debajo de dicho umbral, la corriente genera un zumbido sin vencer el par resistente. Este valor es propio de cada montaje mecánico. Incremente el ciclo PWM en saltos del 5 % y anote el punto de arranque de cada rueda; en robots físicos ambos lados presentan umbrales ligeramente dispares, lo que suele explicar desvíos iniciales atribuidos erróneamente al código.
¿Qué precisión real ofrece la odometría de rueda?
Excelente en distancias de un metro e inútil tras un centenar de metros. La odometría integra el movimiento en el tiempo, por lo que todo error se acumula de forma irreversible. El patinaje aleatorio crece proporcionalmente a la raíz cuadrada de la distancia, pero los errores sistemáticos (como una discrepancia del 1 % en el diámetro efectivo de rueda) crecen linealmente. Por tanto, la odometría es la herramienta ideal para lazos cerrados locales de segundos, pero insuficiente para navegación prolongada sin referencias absolutas.
¿L298N o TB6612FNG: cuál driver es más conveniente?
El TB6612FNG es preferible en prácticamente cualquier plataforma móvil ligera. Su etapa de salida MOSFET disipa solo unos 0.5 V frente a los aproximadamente 2 V del L298N con transistores bipolares; en motores de 6 V, esa diferencia representa perder un tercio de la tensión de batería en calor disipado. El L298N conserva su utilidad cuando se requieren corrientes continuas superiores a 1.2 A por canal o tensiones de motor por encima del límite de 13.5 V del TB6612.
¿Son indispensables los encoders en un robot principiante?
No para un seguidor de línea elemental, el cual corrige su trayectoria directamente a partir de sus fotosensores. Sin embargo, resultan obligatorios en cuanto el robot deba recorrer una distancia prefijada, ejecutar giros exactos o sostener su velocidad ante caídas de batería o cambios de superficie. Si proyecta desarrollar robots solucionadores de laberintos o navegación autónoma, incorpore motores con encoder desde la fase inicial.
¿Por qué el giro del robot sobrepasa siempre el ángulo con un error repetitivo?
Un error regular que invierte su signo al cambiar de sentido responde a causas mecánicas y no a desajustes del lazo de control. Toda caja reductora presenta juego de engranajes (backlash) que debe recorrerse antes de transmitir par en sentido contrario. Un encoder montado en el eje del motor no tiene visibilidad de este recorrido muerto. Mida la holgura en el eje de salida y compénsela mediante software o evite inversiones bruscas.