VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Программируемая машина-исследователь с двухмикроконтроллерным управлением и ультразвуковым локатором
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 управляемой двумя микроконтроллерами гусеничной самоходной машины с вращающимся ультразвуковым локатором-дальномером, то есть создание наземного беспилотника, который может быть использован и для освоения других планет.
Задача 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 работы ходовой части с учётом данных получаемых от дальномера.
Гипотеза – возможность создания авторской разработки машины-исследователя. Объект исследования – конструкторские решения по созданию модели, способной выполнять поставленные задачи с использованием ультразвукового локатора. Предмет исследования – возможности созданной базовой системы. Методы исследования – изучение теоретического материала с целью подготовки к созданию конструкторских решений по выбранной тематике, практические работы по изготовлению модели, её тестирование и устранение замеченных недостатков. В процессе изготовления отдельные узлы модели после их тестирования были подвергнуты необходимым корректировкам. В итоге модель прошла успешные испытания. Практическая значимость работы: автор выполнил поставленную задачу и изготовил машину 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, закрытых и открытых пространств (при постановке оборудования для получения видеоизображений) как на Земле, так и на других планетах. Кроме того, данная разработка может успешно использоваться в учебной деятельности с обучающимися, проявляющими интерес к физике и технике. В этом случае обучающая функция машины – демонстрация принципов автоматического объезда препятствий.
Новизной работы стало создание авторской модели гусеничной программируемой самоходной платформы с двумя (работающими согласовано) микроконтроллерами и с вращающимся ультразвуковым локатором-дальномером сканирующим пространство вокруг машины на 3600. То есть получено мобильное роботизированное средство авторской конструкции –прототип беспилотных машин, например, для космических программ. Главной отличительной особенностью данной машины-исследователя с локатором-дальномером является особая конструкция верхней части модели, позволяющая исключить вращение жидкокристаллического дисплея, расположенного над осуществляющими повороты датчиками препятствий. Вторая отличительная особенность – наличие двух микроконтроллеров, для которых можно писать индивидуальные программы. При этом программы работают согласовано, так как сигналы с ультразвуковых датчиков должны влиять на движение машины.
2. Назначение изготовленной машины
Гусеничная самоходная платформа с вращающимся ультразвуковым локатором-дальномером предназначена для демонстрации принципов автоматического объезда препятствий, возникающих на пути движения. Объезд препятствий осуществляется в полностью автономном режиме на основе запрограммированных алгоритмов с использованием информации о направлении и дистанции до препятствия. Дистанция обнаружения препятствий лежит в интервале от 10 см до 70 см с дискретностью 10 см. Локатор способен обнаруживать препятствия дальше 5 метров, но в данном случае такая дистанция обнаружения признана избыточной и программно ограничена 70 см. В состав гусеничной платформы входят два микроконтроллера, связанных между собой посредством 5-проводного шлейфа. Использование двух процессоров, выполняющих разные функции, ускоряет работу всей электроники, упрощает отладку двух отдельных программ и позволяет легко модернизировать каждую программу в отдельности в случае необходимости, не вмешиваясь в работу другой программы.
3. Устройство и принцип работы машины
За основу была взята радиоуправляемая игрушка – танк. Из нее для дальнейшего использования были оставлены только гусеничная платформа с моторами и редукторами, а так же аккумуляторная батарея (АКБ). Все остальные детали корпуса и вся электроника были демонтированы. Сверху гусеничную платформу закрывает прозрачная крышка, на которой установлен вращающейся локатор, детали корпуса которого, также изготовлены из прозрачного пластика. Под крышкой находится микроконтроллерный блок управления. Все основные части платформы и локатора благодаря использованию прозрачного пластика доступны для визуального изучения. Такое решение продиктовано исходя из соображений дизайна и наглядности, а также возможностью ознакомления в учебных целях с внутренним устройством без демонтажа элементов корпуса. Рис.1.
Микроконтроллер локатора по командам (запуск измерения и выбор ультразвукового датчика – рис. 2) 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. Вращающийся локатор-дальномер имеет угол поворота до 1800 – рис.3. 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 двухстрочный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) – рис. 4. Благодаря особому внутреннему устройству механической части локатора верхняя крышка с ЖКИ дисплеем остается неподвижной во время поворота вращающегося диска с датчиками. Благодаря такому инженерному решению значительно облегчается восприятие информации с ЖКИ индикатора. И в целом всё выглядит как оригинальное дизайнерское решение. Светодиодами красного цвета указываются команды управления локатором-дальномером. Светодиоды синего цвета демонстрируют выходные данные о расстоянии. 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 и наглядно представляется на специальном светодиодном индикаторе, символизирующем батарейку. В случае разряда АКБ ниже 7 В, работа устройства блокируется для исключения выхода АКБ из строя. При этом с частотой 1 Гц (герц) начинает моргать только нижний светодиод индикатора напряжения батарейки. Стабилизированное питание напряжением + 5 В локатора и электроники платформы обеспечивается двумя независимыми интегральными стабилизаторами. Управление электродвигателями левой и правой гусениц осуществляется двумя одинаковыми Н-мостами на полевых транзисторах различного типа проводимости в режиме широтно-импульсной (ШИМ) модуляции. Питание Н-мостов осуществляется напрямую 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 дальнейшей траектории движения. Далее цикл повторяется.
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. Способами объезда могут быть небольшое изменение разности скорости вращения гусениц в одну сторону, значительное (до 2 крат) изменение разности скорости вращения, вращение гусениц в разные стороны, отъезд назад с разворотом на месте в ту или иную сторону в зависимости от обстоятельств.
Управление работой комплекса осуществляет главный процессор – рис. 5.
4. 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. Верхняя и нижняя части корпуса одновременно служат креплением основных узлов, а так же защищают их от механических повреждений.
Собственно гусеничное шасси представляет собой часть радиоуправляемой модели танка. С модели были демонтированы верхняя часть корпуса с башней и вся электронная часть. Оставлены только нижняя часть корпуса с гусеничным движителем и редукторами с электромоторами, а так же АКБ.
Прозрачная верхняя крышка корпуса выполнена из листовой заготовки прозрачного пластика, толщиной 5 мм.
Далее в заготовке на фрезерном станке были просверлены отверстия под крепежные винты и профрезеровано прямоугольное окно под установку вращающегося локатора. В это окно проходит сервопривод поворота датчиков локатора и опорная площадка сервопривода. Рис. 6.
Вновь изготовленная плата электроники в качестве основы имеет многофункциональную макетную плату, на которую напаиваются электронные компоненты и соединяются между собой перемычками из отрезков голого луженого одножильного провода.
На плате 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 с помощью жестких стоек.
Плата электроники собиралась в следующем порядке. Вначале были припаяны две шины питания плюс и минус, выполненные из медной жести. Отдельно были изготовлены сборки из попарно соединенных транзисторов разной проводимости.
Еаждый Н-мост состоит из четырех транзисторов. Одновременно с этим по аналогичной технологии была изготовлена и спарка из двух стабилизаторов напряжения + 5 В. Соединяющие их медные шины являются одновременно и контактами для подключения электромоторов и радиаторами для отвода тепла. После чего данные сборки были установлены в соответствующие места на плате. Также были установлены и оптопары гальванической развязки микроконтроллера с силовыми транзисторами. Жестким луженым проводом выполнены все необходимые электрические соединения. Следующим этапом сборки была установка стабилизаторов напряжения и фильтрующих электролитических конденсаторов. Рис.7.
После сборки силовой части, на плату были установлены все остальные электронные компоненты. Готовая плата была подсоединена к электродвигателям гусениц и аккумуляторной батарее.
В микроконтроллер была загружена тестовая программа для проверки работоспособности всех узлов, чтобы убедиться в отсутствии ошибок при проектировании и изготовлении [3]. Рис. 8..После чего готовая плата была закреплена на верхней прозрачной крышке корпуса. Был установлен на свое место и закреплен вращающийся локатор-дальномер. Выполнены электрические соединения. Рис. 9.
Полученная сборка была установлена на шасси с одновременной припайкой проводов к моторам гусениц и питанием от АКБ. Также к микропроцессорной плате локатора и плате управления были временно припаяны шлейфы с колодками для подключения программатора в процессе написания и отладки программ. Рис. 10.
5. 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 с.
Программа может работать в двух режимах в зависимости от положения переключателя режима, расположенного спереди платформы.
Режим демонстрации на стенде
Машина неподвижна. С интервалом в 2 с локатор поворачивается на различные углы. После окончания поворота происходит последовательный опрос фронтального датчика расстояния, а затем кормового. Если препятствие обнаруживается на дистанции до 20 см, то платформа выполняет манёвр уклонения от препятствия. Манёвр может быть различным в зависимости от положения обнаруженного препятствия относительно платформы. Это: отъезд назад, отъезд вперед, поворот на месте вправо, поворот на месте влево. После выполнения манёвра уклонения машина останавливается, и процесс сканирования при повороте локатора продолжается. Так будет продолжаться до отключения питания или переключения режима.
Основной рабочий режим
В этом режиме происходит сканирование пространства перед машиной в три этапа: локатор поворачивается влево – включается фронтальный датчик расстояния; локатор устанавливается посередине – включается фронтальный датчик расстояния; локатор поворачивается вправо – включатся фронтальный датчик расстояния. На основании измерений программа выбирает режим движения. В зависимости от наличия или взаиморасположения препятствий машина может поехать прямо на некоторое расстояние или повернуть вправо или влево. А также отъехать назад с разворотом. После выполнения манёвра машина снова останавливается для повторного сканирования пространства. Таким образом, движение выполняется в циклическом режиме сканирования с последующим коротким перемещением.
Основной цикл программы состоит из перехода на подпрограммы поворота локатора на заданные углы. Таких подпрограмм пять. Две подпрограммы поворота локатора влево на разные углы. Одна подпрограмма поворота локатора прямо по курсу движения и две подпрограммы поворота локатора вправо на разные углы. Каждая подпрограмма дает команду сервоприводу на поворот локатора на заданный угол. Далее в локатор посылается команда на начало измерения расстояния и одновременно с ней команда выбора ультразвукового датчика (фронтального или кормового). После чего в локатор передается команда готовности к приему данных, при получении которой, локатор по трехпроводному шлейфу передает три бита, соответствующие измеренному расстоянию. По результатам двух измерений (обзорного и уточняющего) выбирается то, которое соответствует наименьшей дистанции до препятствия. В зависимости от взаиморасположения препятствий и дистанции до них, программа выбирает оптимальный вариант уклонения. При этом могут меняться не только углы и направления поворота, но и скорость, и направления манёвра. В сумме это дает около двадцати возможных вариантов реакции на препятствия.
6. Изготовление вращающегося ультразвукового локатора с двумя датчиками
.
Локатор представляет собой конструкцию из 5 слоев прозрачного поликарбоната толщиной по 8 мм, диаметром 140 мм. При этом верхний и нижний слои неподвижные. Нижний – опора для сервопривода поворота диска с датчиками. Верхний – является защитной крышкой электронных узлов. [4]. Вращающейся подшипниковой опорой диска с датчиками служит электродвигатель от неисправного жесткого диска компьютера.
Электронная часть локатора состоит из 5 основных частей: сервопривода поворота вращающегося диска Futaba 4004, управляемого основным процессором ATMega328P, два ультразвуковых локатора HC-SR04, находящихся на противоположных сторонах вращающегося диска, ЖКИ- экрана и процессорной платы локатора на микроконтроллере ATtiny2313 . Сверху ставится прозрачный неподвижный диск. Схема – рис. 11.
Полный комплект всех конструктивных элементов (механических сборочных единиц) вращающегося локатора представлен на рисунке 12.
Для изготовления были использованы станки: токарный ТВШ – 3 и фрезерный НГФ 110 и сверлильный ДИОЛД 1351.
Выполнение токарно-фрезерных работ представлено на рисунках 13-15. На рис.16 представлены этапы сборки локатора и готовое изделие – машина-исследователь с локатором.
7. Заключение
Результат проекта: разработана и изготовлена авторская гусеничная самоходная программируемая машина с вращающимся ультразвуковым локатором-дальномером. Для микроконтроллеров – однокристальных компьютеров – были написаны программы. Примерная область применения подобных разработок: обследование помещений и территорий (при постановке оборудования для получения видеоизображений) или в «Умном доме». Данная разработка беспилотника – прототип для машин-исследователей, предназначенных для освоения других планетах.
8. Список использованных источников и литература
1. Бейктал Р. Конструируем роботов. Дроны. Руководство для начинающих. – М.: Лаборатория знаний, 2016. – 226 с.
2. Шпак Ю.А.Справочник по программированию «Bascom-AVR». – М.: Пресс, 2006.
3. Шварц М. Электроника. Интернет вещей с ЕSР8266. – С.-Пб.: БХВ- Петербург, 2016.
4. Резник З. М. Прикладная физика. – М.: Просвещение, 1989. – 236 с.
9. ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис. 1. Машина – общий видРис. 2.Дальномер ультразвуковой
Рис. 3. Дальномер на машине Рис. 4. Жидкокристаллический индикатор
Рис. 5. Схема управления машиной с использованием главного процессора
Рис. 6. Фрезеровка окна Рис. 7. Установка деталей на печатной плате
Рис. 8. Тестовое подключение платы управления к гусеничному шасси
Рис. 9. Локатор и плата управления на верхней крышке шасси. Вид снизу
Рис. 10. Процесс отладки программного обеспечения. Тестовое включение
Рис. 11. Схема дальномера
Рис. 12. Комплект деталей для сборки механической части вращающегося локатора
Рис. 13. Токарная обработка Рис. 14. Сверление Рис. 15. Фрезеровка
пакета из 3 дисков отверстий прорезей
Рис.16. Сборка башни машины и готовая авторская модель