XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Гусеничный робот с ультразвуковым локатором кругового обзора и передающей видеокамерой
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
Выбранная тема современна и актуальна, так как робототехника всё шире входит в нашу жизнь, в работу подразделений и служб, нуждающихся в автоматизированном оборудовании, предусматривающем исключение присутствия человека.
Цель проекта – создание управляемого двумя микроконтроллерами гусеничного робота с вращающимся ультразвуковым локатором-дальномером и передающей видеокамерой. Задачи работы: изучив существующие технические решения, изготовить машину путём сборки модели из самостоятельно разработанных деталей и видоизменённой гусеничной платформы, а также сборка электроники и написание программ управления для микроконтроллеров. Одна программа для дальномера, другая – для ходовой части робота с учётом данных получаемых от дальномера. При этом модель дополнена видеокамерой, передающей видеосигнал на монитор оператора.
Гипотеза – возможность создания авторской разработки робота-исследователя. Объект исследования – конструкторские решения по созданию модели, способной выполнять поставленные задачи, используя ультразвуковой локатор и видеокамеру. Предмет исследования – возможности изготовленной авторской базовой системы. Методы исследования – изучение теории с целью подготовки к созданию конструкторских решений по выбранной тематике, практические работы по изготовлению модели, её тестирование и устранение замеченных недостатков. При изготовлении данного беспилотника отдельные узлы модели после их тестирования были подвергнуты необходимым корректировкам. В результате модель прошла успешные испытания.
Практическая значимость работы: автор выполнил поставленную задачу и изготовил робота собственной конструкции, что позволяет говорить о том, что в данном случае были решены не только важные конструкторские задачи, но и доказана возможность плодотворной конструкторской деятельности. Примерная область применения подобных разработок: обследование помещений и территорий, используя алгоритмы объезда препятствий. При этом данную модель можно использовать при обучении в кружках или в технических средних специальных учебных заведениях.
Новизной работы стало создание авторской модели гусеничного робота с двумя (работающими согласовано) микроконтроллерами, передающей видеокамерой и ультразвуковым локатором, сканирующим пространство вокруг машины на 3600.
2. Устройство и принцип работы изготовленного гусеничного робота
Комплектация модели:
1.Самоходная автономная гусеничная платформа.
2. Цифровая цветная автономная видеокамера.
3. Пульт контроля.
Управление работой комплекса производит главный процессор – рис. 1.
За основу взят радиоуправляемый игрушечный танк. От него оставлены гусеничная платформа с моторами и редукторами, а так же аккумуляторная батарея (АКБ). Всё остальное демонтировано. Сверху гусеничную платформу закрывает прозрачная крышка. На ней установлен вращающийся локатор [1], детали корпуса, которого изготовлены из прозрачного пластика. Под крышкой находится микроконтроллерный блок управления. Все основные части платформы и локатора можно рассматривать детально, ввиду использования прозрачного пластика. Данное решение, продиктовано требованиями современного дизайна и желанием в учебных целях предоставить возможность ознакомления с внутренним устройством робота без демонтажа корпуса. Рис.2.
Микроконтроллер локатора по командам: запуск измерения и выбор ультразвукового датчика (рис. 3 а, б) микроконтроллера платформы производит единичный цикл измерения расстояния. Данные о результатах посылаются в процессор платформы (3 битный формат) для принятия решения о дальнейшей траектории движения. Поворот вращающегося диска локатора с установленными на нем ультразвуковыми датчиками расстояния осуществляется сервоприводом по командам процессора платформы [5]. Вращающийся локатор-дальномер имеет угол поворота до 1800 (рис.3в). Благодаря установленным двум ультразвуковым фронтальным и кормовым сенсорам, он имеет возможность полного кругового сканирования местности вокруг гусеничной платформы в процессе её движения и изменения траектории во избежание столкновения с препятствиями. Для удобства использования и упрощения процесса отладки программы на верхней крышке локатора установлен жидкокристаллический индикатор (ЖКИ). На нем демонстрируется анимация зондирующего импульса и путем заполнения строк белыми прямоугольниками наглядно представляется условная дистанция до препятствия в случае его обнаружения. Особое внутреннее устройство механической части локатора позволяет верхней крышке с дисплеем ЖКИ оставаться неподвижной во время поворота вращающегося диска с датчиками. Такое инженерное решение облегчает восприятие информации с ЖК- индикатора. Это – оригинальное дизайнерское решение. Светодиодами красного цвета указываются команды управления локатором-дальномером. Светодиоды синего цвета демонстрируют выходные данные о расстоянии [3]. Все светодиоды видны сквозь прозрачную крышку локатора.
Питание всего устройства осуществляется от двух соединенных последовательно Li-ion АКБ с зарядом 2 А•ч. Контроль напряжения АКБ осуществляется процессором платформы. Это видно через прозрачную крышку машины на специальном светодиодном индикаторе, символизирующем батарейку. При разряде до 7 В работа блокируется и с частотой 1 Гц моргает нижний светодиод индикатора напряжения батарейки. Два независимых интегральных стабилизатора дают + 5 В на локатор и электронику платформы. Два Н-моста (на полевых транзисторах) в режиме широтно-импульсной (ШИМ) модуляции управляют электродвигателями гусениц правого и левого борта. Напряжение для Н-мостов напрямую подают от источника питания.
В программе управления предусмотрено два режима работы, которые выбираются посредством переключателя на передней части платформы. Первый режим предназначен для демонстрации на стенде. Платформа стоит неподвижно, ступенчато поворачивая локатор на различные углы. При этом каждому углу поворота соответствует последовательное включение фронтального и кормового ультразвуковых датчиков. В случае обнаружения препятствия ближе 20 см, платформа предпринимает короткий манёвр уклонения от препятствия. Второй режим является основным. При его выборе платформа начинает движение с одновременным сканированием пространства впереди по ходу движения. Движение осуществляется в режиме: движение — остановка для сканирования — принятие решения о последующей траектории движения. Далее идёт повторение цикла. Для ускорения работы сканирование осуществляется вначале спереди в узком секторе. При обнаружении препятствия производится дополнительное сканирование в более широком секторе для уточнения расположения препятствий и дистанции до них. Траектория уклонения от столкновения выбирается исходя из данных об угле поворота локатора, дистанции до препятствия и разности расстояний до препятствия посередине, слева и справа по ходу движения. Способы объезда: небольшое изменение разности скорости вращения гусениц в одну сторону, значительное (до 2 крат); вращение гусениц в разные стороны, отъезд назад с разворотом на месте в ту или иную сторону в зависимости от обстоятельств. Дистанция обнаружения препятствий: 10 - 70 см. Дискретность - 10 см. (Хотя локатор может обнаружить препятствие дальше 5 м, но в данном проекте это ненужно.) Использование двух процессоров, связанных 5-проводным шлейфом и выполняющих разные функции, ускоряет работу всей электроники, упрощает отладку двух отдельных программ и позволяет легко модернизировать каждую программу в отдельности, не вмешиваясь в работу другой программы.
3. Изготовление гусеничного шасси с платой управления движением
Гусеничное шасси функционально объединяет в себе все основные части, такие как: АКБ, гусеничный движитель с моторами и редукторами, плата главного процессора, поворотный локатор-дальномер. Гусеничное шасси – часть радиоуправляемой модели танка, где оставлены нижняя часть корпуса с гусеничным движителем и редукторами с электромоторами, а так же АКБ.
На новой плате электроники размещаются стабилизаторы напряжения, два Н-моста управления двигателями гусениц и стилизованный под батарейку светодиодный индикатор уровня заряда АКБ. Управляющий контроллер смонтирован на отдельной квадратной плате и установлен на основной плате сверху. Также были установлены и оптопары гальванической развязки микроконтроллера с силовыми транзисторами. Рис. 4.
Следующий этап – установка стабилизаторов напряжения и фильтрующих электролитических конденсаторов. Далее – остальные электронные компоненты. В микроконтроллер была загружена тестовая программа (рис. 5), после чего готовая плата была закреплена на место. Затем устанавливают локатор-дальномер со вторым микроконтроллером. Рис. 6 а, б.
4. Описание конструкции вращающегося ультразвукового локатора с двумя датчиками
Локатор сделан из 5 слоев прозрачного поликарбоната (рис. 7). Верхний и нижний слои неподвижные. Нижний – опора для сервопривода поворота диска (рис.8) с датчиками. Сервопривод Futaba 4004 поворачивает до 180 0. Два датчика дают круговой обзор. Электронная часть локатора состоит из: сервопривода поворота вращающегося диска Futaba 4004, управляемого основным процессором ATMega328P, 2 ультразвуковых локатора HC-SR04, ЖКИ экрана и процессорной платы локатора на микроконтроллере ATtiny2313 (рис.9). Принципиальная схема локатора – рис. 10. Изготовление деталей и сборка локатора – рис. 11 а - е.
5. Использование цифровой цветной видеокамеры
Цифровая цветная автономная видеокамера с высокой светочувствительностью и видеопередатчиком с несущей частотой 1,2 ГГц. Автором предусмотрена возможность быстрой установки камеры на платформу, используя «липучку» - текстильную застёжку Velcro (рис. 12 а- в).
Блок - схема передающего узла представлена на (рис. 13). Низкочастотный видеосигнал с камеры подается на вход видеопередатчика с несущей частотой 1,2 ГГц. Камера и передатчик получают питание от встроенной Li-ion аккумуляторной батареи ( 8,4 В, заряд 2000 мА · ч) [4].
Радиус действия передатчика на открытой местности до нескольких десятков метров. Время работы не менее четырёх часов.
6. Сборка и эксплуатация пульта контроля
Пульт смонтирован в небольшом чемодане с прозрачной крышкой – рис. 14. Внутри находятся следующие узлы: литий-ионная аккумуляторная батарея (рис. 15) напряжением 12,6 В, зарядом 2400 мА·ч, приемник видеосигнала частотой 1,2 ГГц от автономной цифровой цветной видеокамеры и монитор. На рисунках 16 а, б представлены фотографии внутреннего пространства пульта. Время работы пульта от полностью заряженной батареи не менее двух часов.
Рассмотрим работу приемника видеосигнала. Видеосигнал частотой 1,2 ГГц с автономной цифровой видеокамеры принимается специализированным радиоприемником, детектируется и на низкой частоте подается на вход видеомонитора. Блок- схема – рис. 17. Общий вид комплекса – рис. 18.
7. Описание работы программы ультразвукового дальномера
Программа осуществляет при приеме внешнего управляющего сигнала низкого логического уровня (команда запуска измерения) однократное зондирование расстояния до возможного препятствия ультразвуковым дальномером фронтальным (высокий логический уровень на входе выбора датчика) или кормовым ультразвуковым дальномером (низкий логический уровень на входе выбора датчика). После инвертирования логического уровня на выводе запуска измерения, программа формирует на трех выводах микроконтроллера в двоичном коде комбинацию сигналов, соответствующих расстоянию до препятствия. Комбинация остается на выводах вплоть до запуска следующего цикла измерения расстояния [5]. Также программа формирует на ЖК- индикаторе условную анимацию, визуализирующую расстояние до препятствия (заполнение верхней строки белыми прямоугольниками справа налево; один прямоугольник соответствует расстоянию в 5 см) в верхней строке экрана. В нижней строке экрана аналогично происходит заполнение прямоугольниками, но слева направо. Также программа обеспечивает анимацию прохождения зондирующего импульса. Символ «>» в верхней строке для фронтального зондирующего импульса (движение слева направо) и «<» в нижней строке (движение справа налево). Если препятствия дальше 40 см, то анимация зондирующего импульса проходит всю строку экрана. Если препятствие ближе 35 см, то она делает остановку, упираясь в крайний белый прямоугольник - символ препятствия.
Для правильной работы программы в первых строчках описывается тип используемого микроконтроллера и его тактовая частота. Тип микропроцессора ATTiny 2313, тактовая частота 8 МГц.
Далее описывается конфигурация соединения выводов ЖК- индикатора и микроконтроллера. Используется ЖК- индикатор: 2 строки по 8 знакомест. Но, BASCOM AVR такой тип индикатора не понимает, поэтому в программе описано, что подключен индикатор 2 строки по 16 знакомест. При написании программы это обстоятельство учитывалось. Используем первые 8 знакомест.
Следующим этапом описывается конфигурация выводов микроконтроллера на вход и выход. Два вывода работают, как принимающие входные команды управления. Переключением логических уровней на них формируются две управляющие команды – «запуск измерения» и «выбор УЗ- датчика» (фронтальный или кормовой). Для визуального наблюдения за входными командами к соответствующим выводам микроконтроллера присоединены два светодиода красного цвета через токоограничительные резисторы по 4.7 кОм с шины питания +5 В. Три вывода работают на выход. На них в двоичном коде формируется код, пропорциональный измеренному расстоянию до препятствия. От 000 (расстояние больше 35 см), до 111 (расстояние 5 см и меньше). Промежуточные значения 001 (35-30 см), 010 (30-25 см), 011 (25-20 см), 100 (20-15 см), 101 (15-10 см), 110 (10-5 см). Для визуализации выходного кода, пропорционального расстоянию к трем выводам микроконтроллера подключены светодиоды синего цвета через токоограничительные резисторы по 4.7 кОм с шины питания +5 В. Описывается конфигурация соединения ультразвуковых датчиков с выводами микроконтроллера. При работе программы зондирующие импульсы генерируются обоими датчиками одновременно. Для этого их выводы «TRIGGER» объединены и подключены на один вывод микроконтроллера. А выходя «длительности времени прохождения зондирующего импульса от препятствия и обратно» (выводы «ECHO») подключены к разным выводам микроконтроллера. С какого датчика принимать и обрабатывать импульс определяет программа в соответствии с входным сигналом выбора датчика.
Далее в программе объявляются переменные, с которыми программа будет работать и хранить промежуточные данные. Также описывается тип этих переменных. В переменных хранится многое. 1. Длина импульса принятого с датчика ультразвука, пропорциональная расстоянию до препятствия. 2. Служебные переменные, определяющие направление движения символа «>» или «<» в верхней или нижней строках экрана, указывающих направление зондирующего импульса и количество шагов такой анимации. 3. Переменная запрета/разрешения включения ультразвуковых датчиков.4. Переменная «антидребезга», предотвращающая повторное прохождение зондирующего импульса. Благодаря этому гарантировано, что на одну команду запуска измерения расстояния, это измерение производится только один раз. Далее следует команда очистки экрана, и гасятся три светодиода синего цвета.
В основном непрерывном цикле программ происходит опрос состояния входов микроконтроллера, отвечающих за прием управляющих сигналов «Запуска измерения» и «Выбора датчика». При приеме соответствующих команд происходит предварительный выбор фронтального или тылового датчика и запуск процедуры однократного измерения расстояния.
Рассмотрим на примере приема данных от фронтального датчика расстояния. После приема данных от ультразвукового датчика, происходит их обработка. В случае, если измеренное расстояние больше 40 см, то происходит его округление до 40 см. Переменной Animaciy_count присваивается значение «7». Таким образом, программно игнорируются препятствия, расположенные дальше 40 см. Далее ступенчато (ступень 5 см, соответствует 30 условным единицам расстояния, принятого от датчика) происходит обработка входного импульса. Если расстояние меньше 40 см, то в первую строку экрана в восьмое знакоместо выводится символ белого прямоугольника (ЖК- индикатор производит автоматический перевод курсора в девятое знакоместо) и переменной Animaciy_count присваивается значение «6». Если расстояние меньше 35 см, то в первую строку экрана в седьмое знакоместо выводится символ белого прямоугольника. В силу того, что ЖК индикатор автоматически перевел до этого курсор вправо, а символ нужно вывести левее, перед его выводом производится дважды сдвиг курсора влево командой Shiftcursor Left. Переменной Animaciy_count присваивается значение «5». ЖК индикатор после вывода символа снова автоматически двигает курсор вправо на одну позицию. И так далее до окончания процедуры обработки данных. В результате происходит постепенное ступенчатое заполнение верхней строки экрана белыми прямоугольниками по мере сокращения расстояния до препятствия, или уменьшения количества прямоугольников по мере удаления от препятствия. Аналогичным образом происходит обработка данных с тылового датчика расстояния. При этом условные обозначения выводятся в нижней строке экрана и слева направо.
В конце работы процедуры обработки данных с датчиков расстояния происходит переход к подпрограмме анимации прохождения зондирующего импульса. Значение, хранящееся в переменной Animaciy_count, определяет количество шагов движения символа «стрелка».
После того, как логический уровень на выводе микропроцессора, отвечающего за прием команды запуска измерения сменится с 0 на 1 происходит подготовка программы к следующему измерению расстояния по перепаду логического уровня с 1 на 0. И происходит переход на подпрограмму формирования выходного двоичного кода, соответствующего измеренному расстоянию.
8. Описание работы программы платы управления гусеничным шасси
В начале программы следует описание типа используемого микроконтроллера и его тактовой частоты. Затем следует описание конфигурации выводов микроконтроллера. Описывается, которые из них работают как входы, а какие – как выходы. Далее объявляются переменные и их тип. Тип переменной указывает микроконтроллеру, какой необходимый объем памяти нужно зарезервировать для ее хранения. После чего следует тестирование поворота локатора путем последовательного поворота его в крайние положения. Пауза в работе 3 секунды.
Программа может работать в двух режимах в зависимости от положения переключателя режима, расположенного спереди платформы: «Режим демонстрации на стенде» и «Основной рабочий режим».
9. Заключение
В результате работы над проектом была разработана и изготовлена авторская модель программируемого гусеничного робота (на двух микроконтроллерах) с вращающимся ультразвуковым локатором-дальномером кругового обзора и передающей видеокамерой с инфракрасной подсветкой. Для микроконтроллеров (однокристальных компьютеров) были написаны программы. Одна для дальномера, другая – для работы ходовой части с учётом данных получаемых от самого дальномера.
Особенность инженерного решения – датчики вращаются, а верхняя крышка с видеокамерой и нижняя часть корпуса локатора неподвижны.
Область применения подобных разработок: обследование помещений и территорий, используя алгоритмы объезда препятствий. Кроме того данную модель можно использовать в творческих объединениях учащихся или в учебном процессе средних специальных учебных заведений технической направленности. С этой целью при изготовлении использованы прозрачные материалы, позволяющие увеличить степень наглядности конструкции.
10. Список использованной литература
1. Мякишев Г. Я. , Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика -11. – М.: Просвещение, 2020.
2. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике для инженеров. −М.: Наука, 1979.
3. Резников З.М. Прикладная физика. − М.: Просвещение, 1989.
4. www.texinvest.ru/cctv2/cctv2009.04.29.htm
5. Шпак Ю.А.Справочник по программированию «Bascom-AVR». . – М.: Пресс, 2000.
1 1. ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис. 1. Схема управления роботом с использованием главного процессора
Рис. 2. Общий вид робота с видеокамерой, с жидкокристаллическим индикатором
Рис. 3. Дальномер УЗ: а) общий вид, б) в разборе; в) на машине
Рис. 4. Транзисторные сборки, установленные на плату стабилизаторы напряжения, оптопары Н-мостов и фильтрующие конденсаторы
Рис. 5. Тестовое подключение платы управления к гусеничному шасси
Рис. 6 Локатор и плата управления;
Рис. 7. Заготовка локатора Рис. 8. Сервопривод Рис. 9. Локатор
Рис. 10. Принципиальная схема дальномера
Рис. 11 а - е . Изготовление деталей и сборка локатора
Рис. 12 а - в. Видеокамера и её быстрая установка на платформе, используя «липучку» - текстильную застёжкуVelcro
Рис. 13. Блок-схема цифровой цветной автономной видеокамеры 1 с видеопередатчиком 2 (частота 1,2 ГГц). 3 – батарея 8,4 В, 2000 мА•ч
Рис. 14. Пульт контроля Рис.15. Питание пульта
Рис. 16. а, б. Внутреннее расположение узлов в пульте и его сборка
Рис. 17. Блок-схема приёмного узла
1– Приёмник,
2– Детектор;
3 –Монитор;
4 –Литий - ионная батарея
Рис. 18. Комплект в сборе