X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Радиоуправляемая машина для исследования местности
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение
Цель данной работы – создание колёсной программируемой и радиоуправляемой модели (снабжённой цветной видеокамерой с передатчиком) для дистанционного исследования местности. Задача работы: конструирование модели с использованием оригинальных деталей собственного изготовления и микрокомпьютера, входящего в комплектацию «Лего-робота». Выбранная тема достаточно современна, так как направлена на решение всегда актуальных инженерных задач. В данном случае, связанных с получением изображений из тех мест, куда человек не может попасть физически или ему там находиться опасно.
Объект исследования – конструкторские решения по созданию модели, способной выполнить поставленные перед ней задачи. Предмет исследования – возможности созданной базовой системы и результаты встраивания в неё дополнительных элементов: видеокамеры, микрокомпьютера и его внешнего радиоуправления. Практическая значимость работы: авторам удалось выполнить поставленную задачу и изготовить машину собственной конструкции, снабжённую комплексом для получения и передачи видеоизображения, а также написать программу, регулирующую движение машины, то есть, например, объезд препятствия без участия оператора. При этом на предварительном этапе была собрана модель, обладающая аналогичными возможностями, но механика, которой создавалась на элементной базе «Лего – робота». Такой подход позволил лучше продумать конструкцию окончательного изделия.
Методы исследования: предварительно изготавливались прототипы машины из деталей «Лего – робота». Были написаны программы для управляющего микрокомпьютера и проводились испытания подученных машин. Аналогичные действия были выполнены при введении в изделие дополнительной системы управления и системы видеонаблюдения. При этом для более рационального ведения исследовательской деятельности отдельные авторские узлы сделаны универсальными и могут быть переставлены с одной машины на другую.
Новизной работы стало создание машины повышенной проходимости (с видеокамерой для исследования местности), действующей или по сигналам радиоуправления, или на основе специально написанной программы движения и объезда препятствий, загруженной с помощью интерфейса на инфракрасных лучах в микрокомпьютер от комплекта «Лего -робот». Машина выполнена с применением специально сделанных для неё деталей из органического стекла и колесных редукторов. (Авторский дизайн – применение оргстекла.) Для этого были разработаны соответствующие технологии изготовления, обработки и дальнейшего применения в процессе сборки машины деталей из оргстекла, учитывающие особенности данного материала. Изготовленная модель имеет полноприводное четырёхколёсное шасси с рамой изменяемой геометрии.
2. Теоретический материал, необходимый для осуществления конструкторской деятельности с применением микрокомпьютера RCХ
Главная часть всех машин, собираемых из комплектов «Лего-робот» – автономный микрокомпьютер RCХ, который можно программировать на компьютере с помощью операционной системы Windows. Микрокомпьютер RCХ получает команды от датчиков (например, касания, освещённости), обрабатывает полученную информацию, кроме того он управляет лампочками, мотором, подачей звуковых сигналов. Рис.1. На компьютере посредством ROBOLAB (среда программирования Лего-моделей) создается программа управления моделью. Затем при помощи инфракрасного передатчика программа загружается в микрокомпьютер RCX. После этого модель может действовать независимо от компьютера, рис.2. Составляя программу (рис.3), надо выбирать соответствующие значки–пиктограммы и соединять их между собой (если значки близко, то компьютер их соединит по умолчанию автоматически). Это логические последовательности действий машины. В режиме конструирования пиктограммы выбирают на палитре команд (на экране справа) и затем эти значки переносят в окно диаграммы (на экране окно слева).
К основным пиктограммам команд (рис.4) можно подсоединять пиктограммы модификаторов (рис.5), определяющих уровень мощности и порт. Помимо этого существует набор символов для дисплея микрокомпьютера. Умение их читать – важное условие при работе с данным конструктором. Рядом на верхней панели микрокомпьютера RCX находятся входные порты «1», «2», «3» и выходные – «А», «В», «С» [1].
3. Изготовление авторской модели программируемой машины с использованием микрокомпьютера из конструктора «Лего-робот».
3.1. Изготовление базовой части машины
Созданная конструкция состоит из двух одинаковых модулей присоединённых спереди и сзади к центральному контейнеру с находящимся в нём микрокомпьютером RCХ и элементами питания с помощью двухрядных шарикоподшипников (двигатели привода дисков компьютерных HDD Fujitsu, т.е. винчестеров). Каждый модуль состоит:
1). РЕДУКТОР - 2 шт. (по одному на каждое колесо).
При изготовлении редукторов за основу были взяты моторедукторы регулятора угла наклона фар автомобиля RENAULT. Т. е., в целом, так как колёс у машины 4, переделке подверглись 4 редуктора.
Исходные редукторы имели линейное перемещение выходного вала. Для того, чтобы заменить линейное перемещение на вращение, передаваемое колёсам, каждый редуктор подвергся доработке. На токарном станке выточен новый выходной вал. На один конец вала устанавливалась отрезанная до этого шестерня, а на другой конец вала с резьбой М4 прикручивается колесо. Средняя часть вала с легким натягом запрессовывается в подшипник. Промежуточная шестерня-червяк и моторчик остаются без изменений.
2). КОЛЁСА с резиновыми покрышками, от игрушки- джипа (рис.6).
3). ШАССИ. Все элементы шасси вырезаны из листового оргстекла толщиной 8 мм. Оргстекло взято из неисправных матриц ЖК мониторов. Вырезанные детали или сгибали, нагревая их феном паяльной станции (передний и задний мосты) или собирали между собой на шурупах.
4). БАМПЕР из оргстекла (рис.7). На бампере находятся контактные датчики касания [2] –рис.8, реагирующие на столкновения с препятствиями. В данной модели были использованы датчики закрытия дверцы многофункционального устройства для печати (МФУ «Samsung»). Бампер закреплен на переднем мосту двумя шурупами с надетыми на них пружинами.
Все необходимые инженерные решения были просчитаны, полученные теоретические и практические результаты анализировались [3], затем в случае необходимости в процессе создания машины вносились требуемые изменения.
Каждое колесо данной машины со своим приводом, что позволяет получить высокую удельную мощность. А в совокупности с «переламывающейся» рамой это позволяет дробиться высокой проходимости. То есть, поворотные устройства дают возможность плоскостям платформ обоих модулей поворачиваться относительно друг друга в продольной плоскости на угол 450 .Таким образом, машина имеет полноприводное четырёхколёсное шасси с рамой изменяемой геометрии. Машина, подъезжая к препятствию, или преодолевает его, если препятствие оказывается ниже бампера или отъезжает назад. Это зависит от того, есть ли воздействие на датчик касания. Датчик касания может работать в одном из трёх режимов: 1). Посылает сигнал, когда нажимается его кнопка; 2) Появление сигнала в режиме «нажал-отпустил»; 3) Подсчитывает число нажатий [1]. Датчик может работать только в одном из вышеперечисленных режимом. В данном случае был выбран режим № 2.
Источник питания микрокомпьютера: 9 элементов по 1,5 В формат АА.
3.2. Дополнительное оборудование, предназначенное для работы в режиме «Машина-исследователь»
Помимо предусмотренного изготовителями «Лего-роботов» автономного управления моделями собственным микрокомпьютером, то есть загруженной в него программой, в данной конструкции автором добавлено внешнее радиоуправление командами, посылаемыми с пульта. А так как модель предназначена для исследования местности, то она снабжена видеокамерой и, соответственно, передатчиком и приёмником сигнала. Дистанционное радиоуправление осуществляется с помощью стандартного пульта радиоуправления для игрушек [4] с видоизменённой подачей питания (рис. 9): тумблеры не только включают команды, но и одновременно включают питание. Это сделано в целях экономии ресурса используемых гальванических элементов. В данном случае используется элемент на 9 В (типа «Крона»).
Приёмник – рис. 10 а, он же, в рабочем режиме установленный на машине – рис.10 б. Приёмник получает питание с микрокомпьютера на порте «В», где выходное напряжение равно 6,5 В (на схеме разъём Х3). Разъёмы Х1 и Х2 предназначены для подключения к входным портам 1 и 3 микрокомпьютера. В приёмнике А1 находится интегральный стабилизатор. Он устраняет помехи, в частности, возникающие при работе электродвигателей. Напряжение 6,5 В интегральный стабилизатор преобразует в 3,3 В.
Сигнал, полученный с пульта радиоуправления, имитирует для машины воздействие на её бампер. Сигнал приходит на одну из двух оптопар, каждая из которых подаёт сигнал аналогичный тому, который поступает при воздействии на правый или левый угол бампера машины, когда происходит замыкание контактов. Но в данном случае вместо механического замыкания контактов управление током происходит с помощью электронного ключа – транзистора. С помощью оптопары процесс обеспечивается следующим образом: излучение от инфракрасного светодиода по световоду попадает на фототранзистор. Транзистор отпирается и в цепи идёт ток, как если бы при наезде на препятствие была нажата кнопка под бампером машины.
Видеосигнал поступает с видеокамеры, дающей цветное изображение. Принципиальная схема видеокамеры А1 с передатчиком А2 на рис. 11. Фото. – рис. 12. В работе использована всепогодная влагозащищённая камеры с инфракрасной подсветкой INNOVI IV-807J. Она подключена (разъём Х1) также к порту «В» микрокомпьютера, то есть параллельно приёмнику команд дистанционного радиоуправления. Назначение изготовленной машины - передача видеосигнала с камеры наблюдения для того, чтобы оператор мог осуществлять дистанционное управление по изображению на мониторе. В данном случае изображение подаётся на экран малогабаритного телевизора «Casio», который работает от 9 В (6 элементов по 1,5 В формат АА – пальчиковые). От этих же элементов питается и приёмник телевизионного сигнала. Приёмник работает на частоте 1,2 ГГц, он декодирует сигнал и преобразует в более низкочастотный сигнал. Затем этот сигнал подаётся на видеовход телевизора. Сам телевизор не может принять 1,2 ГГц. Его максимальная частота - 860 МГц. Рис. 13.
Результат работы: машина преодолевает препятствие – рис. 14.
3.3. Дополнительная авторская идея
Для бампера с датчиками касания автором применена штоковая передача, где используется меньше деталей по сравнению с тем, что предлагает инструкция к «Лего – роботу». Шток предназначен для передачи усилия от бампера на датчик с минимальным свободных ходом. Штоковая передача кардинально отличается от предлагаемого в инструкции «Лего».
4. Программы для собранной машины
При помощи специального инфракрасного передатчика прилагаемого к конструктору программа загружается в автономный микрокомпьютер RCX. При этом используется файл РС Instal, то есть используются указания инсталлятора [1]. Авторские программы написаны с использованием соответствующих пиктограмм, представленных в инструкции. На рис.15 – программа, регулирующая движение машины, снабжённой радиоуправлением и комплексом для получения и передачи видеоизображения.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ОСНОВНОЙ ПРОГРАММЫ
При включении питания блока RCX кнопкой «on/off» и последующего нажатия на кнопку «run» начинается выполнение основной программы. (Видеокамера и передатчик тоже получили питание.) Машина стоит 1 с, после чего начинается проверка состояния датчиков касания. Если ни один из датчиков не нажат, то машина начинает движение вперед, разгоняясь с модификатора скорости 3, до модификатора скорости 5. При этом в каждом цикле движения происходит опрос состояния датчиков касания. В случае их срабатывания машина останавливается, выдерживается пауза 1 с и машина начинает отъезжать от препятствия. Выдерживается пауза 1 с, и машина поворачивает на некоторый угол вправо или влево, в зависимости от того, какой датчик сработал, правый или левый. Время разворота 2 с. После чего снова выдерживается пауза, и машина продолжает движение вперед. При столкновении с препятствием, которое может вызвать срабатывание обоих датчиков, из-за некоторой неидентичности механических передаточных частей от бампера к датчику, какой-то из датчиков сработает первым. Это приведет к соответствующей реакции программы объезда препятствий.
ПРОГРАММА №2. Рис. 16. Рабочая версия с большими углами разворота при срабатывании датчиков бампера (время разворота 3 с). Остальное аналогично.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ДЕМОНСТРАЦИОННОЙ ПРОГРАММЫ
Программа написана для экономии источников питания. Это необходимо в условиях выставки, где оператор может включить данную программу.
Задачи, выполняемые программой
Программа включает камеру с передатчиком и приемник команд дистанционного управления [5]. Машина неподвижна около 30 с. В это время подаются короткие звуковые сигналы. По истечении 20 с машина движется вперед в течение 1 с, затем следует остановка, движение назад (1 с). Далее цикл повторяется. В любой момент работы программы машина реагирует на команды пульта дистанционного управления или нажатия на передний бампер, включая программы объезда препятствия, справа или слева.
5. Заключение
В результате была изготовлена авторская модель машины-исследователя повышенной проходимости. Авторский дизайн – применение деталей из оргстекла, выполненных специально для данной машины.
Для изготовленной модели также написаны программы движения и объезда препятствийбез участия оператора, которые загружены с помощью инфракрасного излучения в микрокомпьютер RCХ от «Лего-робота». Кроме того, в данной конструкции автором добавлено внешнее радиоуправление. А так как модель предназначена для исследования местности или помещений, то она снабжена видеокамерой, передатчиком и приёмником сигнала (а именно, малогабаритным телевизором «Casio»).
Получена интересная и работоспособная конструкция, которую можно предложить для конкретных целей, а именно, для использования полученных разработок в других творческих объединениях и для создания изделий использующихся на практике. Это вполне реальное использование полученных материалов, так как в процессе работы проводился достаточно полный цикл исследований, включающий создание прототипов будущей модели, их испытания, анализирование полученных результатов и последующую необходимую корректировку с целью создания нового продукта – машины для исследования местности.
Создание машин-исследователей – важная проблема для успешного решения задач МЧС, спецслужб, археологов и т.д.
6. Литература
1. Martha N. Cyr, Ph.D. Director of Engineering Educational Outreach, Tufts University, Massachusetts, US.
2. Резников З.М. Прикладная физика. −М.: Просвещение, 1989.
3. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике для инженеров. −М.: Наука, 1979.
4. Мартемьянов А. Приёмник для радиоуправляемой игрушки.// Радио. 2005. №3. С.33.
5. Сартаков М. М. Персональный компьютер для всех. – M. Компьютер – Пресс, 2001.
7. Приложения
Рис.1. Автономный микрокомпьютер RCХ
Р ис. 2. Использование микрокомпьютера с другой элементной базой машины
Рис.3. Работа с палитрой команд
Рис.4. Пиктограммы
Команда «НАЧАЛО». Данная команда должна быть в начале каждой программы.
Команда «КОНЕЦ». Данная команда должна быть в конце каждой программы.
« СТОП ВЫБРАННЫМ ПОРТАМ». Команда применяется для раздельной или одновременной мгновенной остановки моторов либо выключения ламп, присоединённых к указанным портам RCХ, по умолчанию– это порты А, В, С.
« МОТОР А ВПЕРЁД». Включает мотор, подсоединённый к порту А RСХ в прямом направлении на полную мощность. (Моторы могут обозначаться дальше – по алфавиту.)
« МОТОР А НАЗАД». Включает мотор, подсоединённый к порту А RСХ в обратном направлении на полную мощность.
«ПРЫЖОК». Команда осуществляет переход программы к определённому месту в программной цепочке.
« МЕТКА». Команда определяет место, куда программа осуществляет переход при использовании команды красного прыжка. (Для разных прыжков цвет разный.)
«СЛИЯНИЕ ВЕТВЛЕНИЯ». Всегда ставится в конце Ветвления, чтобы соединить две Ветви.
«ВЕТВЛЕНИЕ – ДАТЧИК КАСАНИЯ». Выбор действия, в зависимостиот показаний Датчика Касания. По умолчанию – входной порт 1
«ВЕТВЛЕНИЕ-КОНТЕЙНЕР». Зависимость от показания Контейнера. Если сигнал больше заданного значения, то программа будет следовать вдоль верхней цепочки, а если меньше – по нижней.
« ЖДИ 1 С». Устанавливает длительность паузы в 1с (или
иное число) перед выполнением следующей команды.
«СТАРТ ЦИКЛА». По умолчанию цикла выполняется дважды.
«КОНЕЦ ЦИКЛА». Этой командой заканчивается любой цикл. Возврат к началу цикла указанное число раз.
«ОБНУЛИТЬ КОНТЕЙНЕР». По умолчанию обнуляет красный контейнер.
«ДОБАВИТЬ В КОНТЕЙНЕР». Позволяет добавить число к значению в контейнере. По умолчанию добавляет единицу в
красный Контейнер.
Рис. 5. Модификаторы
« ВХОД 1». Этот модификатор задаёт, что датчик должен быть подключён к входному порту 1.
« УРОВЕНЬ МОЩНОСТИ». Подсоедините этот модификатор к пиктограмме мотора или лампы, чтобы
установить на них уровень мощности, в данном случае, 4. «ЧИСЛОВАЯ КОНСТАНТА». Этот модификатор
подсоединяется к пиктограмме датчика или времени, чтобы
установить постоянное значение.
«КРАСНЫЙ КОНТЕЙНЕР». Модификатор определяет
какие из величин связываются с Красным Контейнером.
Мультимедиа. «ВОСПРОИЗВЕСТИ ЗВУК».
Рис. 6 . Колеса и ступицы машины
Рис.7. Бампер и датчик Рис. 8. Передняя ступица и датч
Рис. 9. Передатчик команд дистанционного радиоуправления
Рис. 10 а, б. Приёмник команд дистанционного радиоуправления
Рис. 11. Передача видеосигнала Рис.12. Видеомодуль машины
Рис. 13 а. Приём видеосигнала; б, в. Телевизор «Саsiо» с приёмником видеосигнала
Рис. 14. Переламывающаяся рама
Рис. 15. Рабочая программа №1 с малыми углами разворота
Рис. 16. Рабочая программа №2 с большими углами разворота