Ud 4: Control y robótica

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1. Sistemas de control programado. Componentes: controladores, sensores y actuadores.
2. El ordenador como elemento de programación y control
3. Iniciación a la inteligencia artificial
4. Internet de las cosas (IoT)
5. Robótica

Contenidos

Contenido

1. Definición
2. Sistemas de control
3. Sensores y actuadores
4. La tarjeta controladora Arduino
5. La placa protoboard
6. Proyectos

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ELECTRICIDAD 3º

ROBÓTICA 2º

1. Sistemas de control programado. Componentes: controladores, sensores y actuadores.

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1. Los sistemas de control (SC)
• son circuitos electrónicos compuesto por un conjunto de elementos:
• controladores
• sensores
• actuadores
• llevan a cabo una función prevista, para lo cual sus elementos operan de forma coordinada.
• pueden ser:
• cableados (SCC; lo que hemos visto hasta ahora):
• el funcionamiento depende de una interconexión correcta entre componentes
• programado (SCP)
• el funcionamiento se controla a través de programas contenidos en una memoria (son fáciles de modificar).

4. La tarjeta controladora ARDUINO

Para procesar la información, el robot tiene una placa controladora (o tarjeta controladora), que es un circuito electrónico que tiene los componentes básicos de un ordenador:

• Unidad de procesado o procesador
• Memoria
• Puertos de entrada (para conectar sensores)
• Puertos de salida (para conectar actuadores)

B) Los microcontroladores

• son circuitos electrónicos que reúnen en un solo chip los componentes básicos de un ordenador:
• Unidad de procesado o procesador
• Memoria
• Puertos de entrada (para conectar sensores)
• Puertos de salida (para conectar actuadores)

• están en nuestro entorno como por ejemplo en:
• lavadoras
• frigoríficos
• despertadores
• mandos a distancia
• sistemas ABS de los coches
• etc

Esquema de un SCP

Un Sistema de Control Programado debe:

• captar información de su entorno (sensores)
• procesar esta información (microcontrolador)
• actuar sobre su entorno (actuadores)
• ser programable (desde un ordenador)
• (si además realiza movimientos de algún tipo se puede considerar un robot)

SENSORES

(señal de entrada)

C) Las tarjetas controladoras (placas controladoras)

• son circuitos electrónicos que nos sirven de interfaz entre
• el ordenador
• y los dispositivos que se quieren controlar
• disponen de
• un microcontrolador
• puertos de entrada
• puertos de salida
• son por ejemplo
• ARDUINO
• ESP32 Plus STEAMakers

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• BQ Zum Core

Partes de la tarjeta controladora ARDUINO

D) Sensores

Un sensor es un dispositivo capaz:

• detectar magnitudes físicas o químicas
• temperatura
• humedad
• intensidad luminosa
• distancia
• aceleración
• inclinación
• presión
• etc
• y transformarlas en magnitudes eléctricas que pueden ser utilizadas por el microprocesador

Sensores analógicos y digitales:

• Los sensores analógicos
• proporcionan una variedad de voltajes dentro de un rango (0-5V) que depende de la valor en la variable física medida.
• Están conectados a puertos de entrada analógicos, que convierten los valores de voltaje a valores digitales.
• Los sensores digitales
• proporcionan valores de voltaje de 0V o 5V que la placa controladora interpreta respectivamente como BAJO (valor digital 0) o ALTO (valor digital 1).
• Están conectados a puertos de digitales.

Factores a tener en cuenta:

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• Rango de valores que puede medir.
• Precisión: es la capacidad de dar el mismo valor en las mismas condiciones
• Resolución: Es el menor cambio en la magnitud medida que se aprecia en el valor de salida del sensor

Tipos de sensores

La placa PROTOBOARD

• Un placa protoboard es una base para montar circuitos sin tener que soldar conexiones.
• Los componentes o cables electrónicos se insertan directamente en los agujeros.
• Para hacer las conexiones correctas, es preciso saber cómo están conectados los agujeros entre ellos:

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La placa PROTOBOARD

• Conexiones verticales en los laterales: por lo general, tiene dos conexiones verticales a la derecha y dos a la izquierda. Todos los agujeros en cada una de estas columnas están interconectados; generalmente están reservados para conectar el polo positivo (+) o negativo (-) de la fuente de energía.

• Conexiones horizontales en el centro: los agujeros centrales en cada fila están interconectados; generalmente 5 y 5 (a-e y f-j); Aquí insertamos los componentes de los circuitos y los cables para conectarlos.

Ejemplo: Conexión de un sensor digital (pulsador)

• ALIMENTACIÓN
• cable rojo:
• de 5V
• a columna +
• cable negro:
• de columna -
• a GND
• ACTUADOR (LED):
• cable verde:
• de puerto salida 13
• a ánodo
• resistencia 220 Ω:
• de cátodo
• a columna -

Ejemplo de conexión de un sensor digital (pulsador)

• SENSOR (pulsador):
• cable rojo:
• de columna +
• a terminal sup.
• cable amarillo:
• de terminal inf.
• a puerto entrada 2.
• RESISTENCIA “PULL- DOWN” (100 kΩ):
• de terminal inf.
• a columna -

• FUNCIÓN de la RESISTENCIA “PULL- DOWN” (100 kΩ):
• al estar conectada a TIERRA
• reduce el valor del terminal inferior a un valor bajo (0) cuando el circuito está en espera,
• evita así que se detecte un valor alto (1) por error.

E) Actuadores

Un actuador es un dispositivo capaz:

• ejecutar órdenes del controlador
• transformar la energía eléctrica en otro tipo de energía para generar un efecto sobre el sistema que está siendo controlado.

Tipos de actuadores

Funcionamiento de un relé

Los relés electromagnéticos son interruptores accionados por electroimanes.

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Un relé sencillo (ver ilustración) consta de núcleo férrico, una bobina, una armadura móvil y dos lengüetas de contacto.

2. Das Relais

El relé

Si se cierra el circuito izquierdo (circuito de control), entonces fluye corriente por la bobina del relé;

la armadura móvil es

atraída y aparta a la lengüeta de contacto.

Al contacto entre ambas lengüetas de contacto se

enciende la lámpara del circuito de la derecha (Circuito de trabajo)

Si no fluye corriente por la bobina, entonces las

lengüetas de contacto están separadas y la lámpara no luce.

Ventajas y simbología

Ventaja:

Al estar separados eléctricamente ambos circuitos del relé, el circuito de control está conectado a una pequeña tensión, controlando sin embargo al circuito de potencia que generalmente está conectado a una tensión más alta (y más peligrosa).

Símbolos: Los relés pueden controlar un circuito de potencia mediante

• un conmutador (1),
• un interruptor (2)
• o dos conmutadores (3)

Circuito de control: accionamiento y realimentación

Accionamiento:

Aunque el circuito de control puede accionarse mediante un interruptor, frecuentemente se utilizan pulsadores de tipo “normalmente abiertos” (NA) o “normalmente cerrados” (NC).

Retroalimentación:

Para evitar tener que estar pulsando constantemente el pulsador, se utiliza el circuito de retroalimentación, de forma que el relé siga activo aunque hayamos dejado de pulsar el pulsador (ver siguiente diapositiva)

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Relé retroalimentado

Circuito de retroalimentación:

Al presionar el pulsador NA, el relé se activa y permanecerá activado gracias a este circuito, aunque deje de presionar el pulsador NA

Pulsador NC:

Permite desactivar el relé e interrumpir así la retroalimentación.

enlace

Aufgaben:

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2. Zeichne den Schaltplan der Steuerung einer Glühbirne mit einem Relais mit Schalter, wobei du nur eine Batterie verwendest.

(Dibuja el diagrama del circuito para controlar una bombilla con un relé con un interruptor usando solo una batería.)

3. Berechne die Stromstärke durch den Rückführkreis eines Relais mit folgenden Daten: Spannung: U = 12V; Widerstand: R = 280 Ω.

(Calcula la intensidad de corriente a través del circuito de retroalimentación de un relé utilizando los siguientes datos: Voltaje: U = 12 V; Resistencia: R= 280 Ω.)

4. Erkläre: Wie funktioniert jede der folgenden Schaltungen?

(Explica: ¿Cómo funciona cada uno de los siguientes circuitos?)

Lösung

2. El ordenador como elemento de programación y control

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• El programa que almacena el procesador de la controladora debe ser previamente
• realizado en un ordenador (mediante un IDE)
• volcado desde el ordenador a la controladora.
• IDE:
• Un entorno de desarrollo integrado (IDE) es un programa que permite:
• Programar con un lenguaje de programación (legible por humanos)
• Compilar (traducir al lenguaje binario, ejecutable por el ordenador)
• Ejecutar el programa
• Guardar el programa

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Entorno de desarrollo integrado (IDE)

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• Un IDE es un programa que permite:
• 1º programar con un lenguaje de programación (legible por humanos)
• 2º compilar en código máquina (ejecutable por computadora)
• 3º ejecutar el programa
• 4º guardar el programa

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Tipos de IDES

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Hay varios IDE para la placa Arduino:

Tipos de IDES (continuación)

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Pasos para usar S4A:

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• 1. Ejecuta el IDE de Arduino
• 2. Selecciona la placa Arduino correcta: barra de menú / Herramientas / Placa
• 3. Selecciona el puerto correcto: Barra de menú / Herramientas / Puerto
• 4. Abre el firmware S4A: barra de menú / archivo
• 5. Carga el firmware S4A: haga clic en

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• 6. Ejecuta S4A
• 7. Comienza a usar el S4A IDE.

Ejercicios:

• 1) Queremos controlar el brillo de un LED (conectado al pin 9 de la placa arduino) con un botón pulsador (conectado al pin 2).
• Describe brevemente para cada programa qué sucede con el LED conectado al pin 9.

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SOLUCIONES

Ejercicios:

• 1) Queremos controlar el brillo de un LED (conectado al pin 9 de la placa arduino) con un botón pulsador (conectado al pin 2).
• Describe brevemente para cada programa qué sucede con el LED conectado al pin 9.

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SOLUCIONES

Robótica de 2º

3. Iniciación a la inteligencia artificial

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• La inteligencia artificial (IA) es la capacidad que tiene una máquina de realizar funciones propias de los seres humanos:
• creatividad
• aprendizaje
• toma de decisiones
• Es preciso establecer un marco jurídico para garantizar que la IA sea segura y respetuosa con los derechos fundamentales y valores de la Humanidad.

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El 14 de junio de 2023, el Parlamento Europeo aprobó su reglamento en materia de IA. La UE será la primera en establecer reglas claras para el uso de la Inteligencia Artificial

¿Cómo aprenden las máquinas?

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• Las máquinas pueden aprender de sus errores, modificando sus algoritmos

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• Formas de aprendizaje:
• Aprendizaje supervisado: se entrena la máquina con situaciones en que conocemos la respuesta correcta, por ejemplo, el reconocimiento facial.

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• Aprendizaje por refuerzo: mediante el cual una máquina puede aprender a jugar juegos difíciles, como el ajedrez, ofreciéndole “premios”.

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Deep learning o aprendizaje profundo

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• Es una nueva tecnología del aprendizaje de las máquinas (machine learning) en la que los algoritmos de aprendizaje forman “redes neuronales” imitando el funcionamiento del cerebro humano.

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• Este aprendizaje requiere gran cantidad de datos y tecnología punta.

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• Ejemplo: coloreado de fotos

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Sesgos en la inteligencia artificial

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• Los sesgos son defectos que incorporan los sistemas de inteligencia artificial.

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• Ejemplo: si en el reconocimiento facial se entrena a la máquina solo con personas de piel blanca, no podrá reconocer caras de personas con otro color de piel.

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• Por ello los datos que alimentan estas tecnologías deben ser inclusivos, es decir, teniendo en cuenta la mayor diversidad posible de datos.

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Campos para la inteligencia artificial

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• Asistentes personales virtuales: Nos permiten, mediante reconocimiento de voz, dar órdenes en nuestras casas, teléfonos móviles, etc.
• Asistentes de voz para empresas: Por ejemplo los chatbots (o bots conversacionales) interactúan con los usuarios sin necesidad de una persona física.
• Aplicaciones en el transporte:
• Conocer dónde está el autobús y cuánto tardará en llegar.
• Analizar el tráfico y buscar la mejor ruta (por ejemplo Google Maps).
• Los coches autónomos son capaces de aprender por dónde circular
• Reconocimiento facial para desbloquear móviles, hacer fotos, reconocer personas e identificar delincuentes.

Campos para la inteligencia artificial (continuación)

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• Medicina: Diagnósticos precoces y certeros que aumentan posibilidades de supervivencia

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• Selección de contenidos: Mostrar contenidos al gusto del usuario en redes sociales, aplicaciones de música, televisión, etc.

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• Comercio: Pronósticos de ventas

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Aplicaciones de la inteligencia artificial

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• ChatGPT: permite mantener conversaciones y que redacte trabajos

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• DALL·E: Permite hacer dibujos a partir de explicaciones

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• UNIONAVATARS: Crea avatares 3D a partir de una foto

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• Moralmachine: Toma de decisiones morales de un coche autónomo
• CANVA: Tiene un apartado que genera imágenes a partir de tus indicaciones
• Thismoviedoesnotexist: Crea carteles de películas a partir de tus indicaciones
• Hypotenuse: Escribe textos a partir de palabras clave.

continuar desde aquí

4. Internet de las cosas (IoT)

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• rr

5. Robótica

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• tica

1. Definición

Los automatismos y robots son máquinas que:

• realizan tareas específicas y repetitivas
• con un alto nivel de precisión,
• ahorrando tiempo, esfuerzo y riesgos para los seres humanos.

La palabra 'robot' viene de la palabra checa 'robota' que significa trabajador forzado o esclavo.

5. La placa PROTOBOARD

• Un placa protoboard es una base para montar circuitos sin tener que soldar conexiones.
• Los componentes o cables electrónicos se insertan directamente en los agujeros.
• Para hacer las conexiones correctas, es preciso saber cómo están conectados los agujeros entre ellos:
• Conexiones verticales en los laterales: por lo general, tiene dos conexiones verticales a la derecha y dos a la izquierda. Todos los agujeros en cada una de estas columnas están interconectados; generalmente están reservados para conectar el polo positivo (+) o negativo (-) de la fuente de energía.
• Conexiones horizontales en el centro: los agujeros centrales en cada fila están interconectados; generalmente 5 y 5 (a-e y f-j); Aquí insertamos los componentes de los circuitos y los cables para conectarlos.

6. Proyectos

Uso del simulador de Tinkercad: Entra en el acceso siguiente (3ºA, 3º B, 3ºC), introduce tu apodo (te lo facilitará el profesor) y diseña los circuitos de las siguientes diapositivas.

2022-23 3º B

6. Proyectos (cont.)

1. Proyecto 1: “Luz intermitente”: (3ºA, 3º B, 3ºC)
1. Construye el siguiente circuito en una placa protoboard y tarjeta arduino
2. Programa el siguiente algoritmo.

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Vídeo

2022-23 3º B

6. Proyectos (cont.)

• Proyecto 1: “Luz intermitente”: SOLUCIÓN

1º) Construye el siguiente circuito

3. Simula el programa

a. Para ello haz clic en “Iniciar simulación” (flecha roja nº 3 de la imagen)

b. Si no funciona como quieres debes revisar los pasos 1 y 2, para corregir errores

4. Guarda el proyecto haciendo clic en el icono de colores (flecha roja nº 1 de la imagen) y sal de tu cuenta.

2022-23 3º B

6. Proyectos (cont.)

• Proyecto 2: “Semáforo”: (3ºA, 3º B, 3ºC)
• Construye el siguiente circuito en una placa protoboard y tarjeta arduino
• Programa el siguiente algoritmo:
1. luz verde encendida (resto apagado) durante 5 s
2. luz amarilla intermitente (0,5 s encendida, 0,5 s apagada, …) durante 3 s (resto apagado)
3. luz roja encendida (resto apagado) durante 3 s
4. Volver al inicio del bucle

Ayuda

2022-23 3º B

6. Proyectos (cont.)

• Proyecto 3.1: “LED con sensor digital”: (3ºA, 3º B, 3ºC)
• Construye el siguiente circuito en una placa protoboard y tarjeta arduino

NOTA: Con las entradas digitales, usamos una resistencia “pull-down” (=reducir) de 10 kΩ conectada a GND (=TIERRA) para reducir el valor a un valor bajo (0) cuando el circuito está en espera (pulsador no pulsado), evitando que se detecte un valor alto (1) por error

• Programa el siguiente algoritmo:
• Condición
1. Si el pulsador está pulsado→ encender led rojo
2. Si no → apagar led rojo
• Detén la simulación. Y quita ahora la resistencia de 10 kΩ.
• ¿Sigue funcionando el proyecto como antes?
• ¿Por qué crees que sucede?

Ayuda

Respuestas

2022-23 3º B

6. Proyectos (cont.)

• Proyecto 3.2: “Semáforo con sensor digital”: (3ºA, 3º B, 3ºC)
• Construye el siguiente circuito en una placa protoboard y tarjeta arduino
• Programa y simulación
• Programa para que el led verde esté normalmente encendido, pero
• cuando presiones el pulsador:
• el led verde se apague
• el led amarillo parpadee durante 3 s (0,5 s encendido- 0,5 s apagado) ,
• y luego el led rojo se encienda durante 3s

Circuito

Programa

2022-23 3º B

6. Proyectos (cont.)

• Proyecto 4.1: “Detector de Coronavirus”: (3ºA, 3º B, 3ºC)
• Lee el siguiente ejercicio y construye el “detector de coronavirus”
• prográmalo convenientemente para que cumpla la siguiente tabla:

Programa

2022-23 3º B

6. Proyectos (cont.)

• Proyecto 4.2: “Detector de Coronavirus “MEJORADO””: (3ºA, 3º B, 3ºC)
• Lee el siguiente ejercicio y construye el “detector de coronavirus”
• prográmalo convenientemente según las indicaciones del ejercicio.

2022-23 3º B

AUTOMATISMOS SIN TARJETA CONTROLADORA

• Circuito con un LDR que controla a un relé
• Lee el siguiente ejercicio y construye el circuito.

2022-23 3º B