VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Колесная платформа с колесами Илона для обучения принципам программирования
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Цель данного проекта – создание модели машины с микроконтроллерным управлением для обучения принципам программирования. Задача работы, изучив необходимый теоретический материал, и проведя серию экспериментов, разработать и изготовить модель машины, используя детали конструкторов «Лего–робот» и «Микроконтроллер программируемый». При этом решался вопрос совместимости двух конструкторов разных производителей и назначения: один – набор деталей зарубежного производства, а второй – отечественного производителя, что актуально в условиях экономических санкций и тенденций импортозамещения.
Объект исследования – конструкторские решения по созданию действующих моделей, управляемых компьютерными программами и позволяющими осуществлять процесс обучения принципам программирования на начальном этапе. Предмет исследования – возможности создаваемой базовой системы, движением которой можно управлять, задавая различные режимы движения платформы, путём нажатия кнопок малогабаритного мобильного компьютера.
Методы исследования – изучение теоретического материала с целью подготовки к созданию конструкторских решений по выбранной тематике, практические работы по изготовлению моделей, их тестирование и устранение замеченных недостатков. Изучение физических основ работы микроконтроллеров в процессе исследования принципов действия технических устройств, создающих работу логических элементов компьютерных программ. В процессе изготовления отдельные узлы модели после их тестирования были подвергнуты необходимым корректировкам. В итоге модель прошла успешные испытания.
Практическая значимость работы: авторам удалось выполнить поставленную задачу и изготовить машину собственной конструкции, снабжённую микроконтроллером, работающим по командам, которые задаёт оператор, набирая коды программы непосредственно на панели управления, расположенной в верхней части мобильной платформы. Это позволяет успешно применить данное устройство при обучении азам программирования, так как обучаемый может быстро устранить свои ошибки и перепрограммировать «дорожную карту» для используемой машины. То есть в данном случае отпадает необходимость даже из-за любой мелкой ошибки снова и снова подключаться к компьютеру для устранения недочётов. Представленная машина в этом вопросе автономна: достаточно её собственного микроконтроллера, являющегося однокристальным компьютером. Обучаемый (он же оператор), нажимая на кнопки на панели машины, тут же вносит все необходимые исправления и вновь проверяет работу изделия, таким способом получая навыки программирования и исследуя функциональные возможности только что созданной авторской программы. Выбранная тема актуальна, так как в эпоху всеобъемлющей роботизации всё больше людей хотят научиться программированию. Потребность в этом будет только нарастать.
Новизной работы стало создание колёсной платформ с микроконтроллерным управлением для обучения принципам программирования. При этом были использованы достаточно редкие в применении колёса Илона (или шведское колесо), позволяющие обучаемым получить возможность дополнительной исследовательской деятельности, изучая движение машины с оригинальным типом движителя и рассматривая его функциональные возможности.
2. Теоретическая часть работы
2.1. Колёса Илона
В 1973 году инженер шведской компании «Mecanum AB» Бенгт Илон изобрёл роликонесущее колесо, которое позволяет транспортному средству двигаться без разворота в любом направлении, что важно при ограниченности пространства, где находится машина. По окружности колеса монтируют ролики. Угол вращения роликов – 45 ° к оси колеса. Рис. 1.
Если изменять направление и скорость вращения отдельных колёс, то машина будет двигаться в любом направлении: вперёд-назад, вправо-влево, по диагонали, по любой дуге, вращаться вокруг своей оси. При этом роль трения скольжения между роликами и опорной поверхностью мала.
При конструировании машин чаще используют по 4 колеса. Рис.2 – робот «URANUS», который способен перемещаться во всех направлениях [1].
2.2. Физические принципы построения логических элементов компьютерных программ Устройства для моделирования логических операций средствами электроники
Выполнение операций любой сложности в компьютерных программах основано на применении трех основных элементарных логических операций: логического умножения – операции И, логического сложения – операции ИЛИ и логического отрицания – операция НЕ. Построение алгоритма решения задач того или иного типа сводится к одновременному (параллельному) и последовательному применению указанных операций. Работа машин с компьютерным управлением, основывается на моделировании элементарных логических операций средствами электроники, применяя логические элементы: И-НЕ, ИЛИ-НЕ, НЕ, Исключающее ИЛИ и др. [2].
Рассмотрим схемы устройств (электронных логических элементов), с помощью которых моделируются элементарные логические операции.
2. 2.1. Электронное устройство логического умножения (элемент И)
Оно имеет несколько входов и один выход. «Таблица истинности» или «Таблица состояний» - рис 3 а. Сигнал на выходе (рис. 3 б) появляется лишь при наличии сигналов на всех входах, т. е. сигнал на выходе является результатом повторения входного сигнала в качестве слагаемого столько раз, сколько имеется входов. В этом смысле данное устройство и называют устройством логического умножения, а схему – схемой совпадения. Если хотя бы на одном из входов сигнала нет, то сигнала на выходе не будет (рис. 3 в).
Простейший вид устройства с применением кнопочных выключателей, соединенных последовательно на рис. 4. Кнопки – это входы, а нажатие – сигнал на входе. Электронная (бесконтактная) схема логического элемента И на диодах – на рис. 5. При отсутствии сигнала хотя бы на одном из входов ток протекает от плюсового зажима источника через резистор R, один из диодов D1, D2 и через один из резисторов r1, r2. Поскольку R »r (где r = r1 = r2), то при этом потенциал зажима «Выход» оказывается ≈ 0.
Если же на все входы одновременно поступят положительные электрические импульсы достаточной величины, то диоды окажутся запертыми и ток в цепи протекать не будет. При этом на выходе появится положительный импульс той же продолжительности t [3]. Рис.6 – работа на кнопочных ключах, рис. 7 – на моделях элемента.
2.2. 2. Электронное устройство логического сложения (элемент ИЛИ)
Это устройство, как и элемент И, имеет несколько входов и один выход. Сигнал на выходе появляется тогда, когда поступает сигнал хотя бы на один из входов элемента (рис. 8 а, б). Когда сигнала нет ни на одном из входов, то сигнала нет и на выходе (рис. 8 в). «Таблица истинности» или «таблица состояний» – рис. 9.
Такое устройство можно смонтировать с помощью нескольких кнопочных ключей (рис.10). Если хотя бы одну из кнопок нажать и замкнуть её контакты на время t (механический импульс), то на выходе появится электрический импульс напряжения такой же продолжительности. Схема электронного (бесконтактного) элемента ИЛИ на диодах – рис. 11,[3]. Фотографии на рис. 12 а - в и 13 .
2.2.3. Электронное устройство логического отрицания (элемент НЕ)
Устройство логического отрицания имеет один вход и один выход. При наличии сигнала на входе нет сигнала на выходе (рис. 14 а), и наоборот (рис. 14 б). «Таблица истинности» – рис.15. Элемент НЕ может быть выполнен с использованием кнопочного ключа. При замыкании контактов кнопки S зажимы «Выход» окажутся короткозамкнутыми. Напряжения между ними нет (рис. 16). При разомкнутых контактах (импульса на входе нет) на зажимах «Выход» будет напряжение. Схема электронного (бесконтактного) элемента НЕ на транзисторе – рис. 17. При отсутствии положительного импульса на входе транзистор закрыт. Когда на вход поступает импульс, транзистор отпирается и потенциал выходного зажима падает почти до 0.
Наличие положительного потенциала на входе и его наличие на выходе взаимно друг друга исключают [3,4]. Рис. 18 а, б и 19, б.
3. Практическая часть работы
3.1. Мобильная платформа
на элементной базе конструктора «Лего-робот»
Прежде, чем собрать машину (рис.20 а) были собраны на элементной базе конструктора «Лего-робот» прототипы будущей модели (рис. 20 б, в). Каждое колесо машин имело свой привод, что позволяет получить высокую удельную мощность [5]. В результате за основу взято полноприводное четырёхколёсное шасси (с колёсами Илона), на базе которого была изготовлена платформа с микроконтроллерным управлением. Сборка на рис. 21 а, б.
3.2. Микроконтроллер, управляющий мобильной платформой
Технические данные и описание
Число выполняемых независимых команд – 6.
Число временных интервалов для команд А, В, Г – 4.
Интервалы, устанавливаемые при нажатии клавиш 1, 2, 3, 4: около 1, 2, 3, 4 с.
Для команд Б и СТОП задание временных интервалов устанавливается в зависимости от количества нажатий командных клавиш. Одно нажатие соответствует примерно 1с.
Максимальное количество шагов программы – 30.
Максимальная потребляемая мощность контроллера 0.3 Вт.
Ток нагрузки на выходе каждого усилителя не более 450 мА.
Контроллер состоит из трех функциональных узлов: устройства ввода программы (клавиши для ввода программы, переключатели вида работ, светодиод), интегральной схемы со вспомогательными радиоэлементами, преобразователя напряжения.
Сборка электроники – рис. 22 а - в. Устанавливают: 1) конденсаторы, диоды и резисторы; 2) маломощные транзисторы; 3) силовые транзисторы.
Внутренне устройство интегральной схемы позволяет контроллеру работать в режиме программирования и режиме выполнения набранной программы, а также выполнять следующие функции:
1) распознавание нажатой клавиши;
2) запоминание вводимой при нажатии клавиши информации оперативным запоминающим устройством (ОЗУ);
3) обработку информации, находящейся в ОЗУ, по программе, записанной в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ);
4) выдачу управляющих сигналов на выходы контроллера;
5) формирование временных интервалов.
Микроконтроллерный блок управления с подписями деталей представлен на рис.23. Собранный автомобиль – рис.24.
Схема электрическая принципиальная (с микроконтроллером) - рис. 25. Также по схеме был собран блок усилителей.
3.3. Принципы работы
Для обеспечения работы интегральной схемы в указанных режимах служат внешние вспомогательные радиоэлементы. Резисторы R1 – R5, R9, R10 нужны для задания режимов на входах интегральной схемы. Светодиод VD1 предназначен для контроля ввода программы в память интегральной схемы. Далее: транзисторы VT3, VT4 и резисторы R11 - R13, служащие усилителем тока для светодиода VD1; диоды VD2 – VD5, служащие для гальванической развязки входов 39, 40 интегральной схемы. Резистор R6 и конденсатор С3 составляют времязадающую цепочку для генератора частоты.
Микроконтроллер программируемый в собранном виде питается от источника постоянного напряжения от 3 до 6 В. Для питания интегральной схемы необходимо напряжение 15 В. Для этого на плате контроллера имеется преобразователь постоянного напряжения от 3 до 6 В в постоянное напряжение 15 В. Конденсатор С1 служит фильтром низкой частоты. Блок усилителей, использующийся в машине состоит из двух идентичных мостовых усилителей (Н- мост). К усилителю подключается параллельно 2 мотора левого борта, а к другому – правого. Н- мосты позволяют управлять двигателями постоянного тока с изменением направления вращения. Дополнительный транзисторный ключ запирает входы мостовых усилителей при поступлении команды СТОП.
Назначение клавиш и переключателей
А – ввод в память интегральной схемы команды ВПЕРЕД; Б – ввод команды НАЗАД; В - ввод команды ВЛЕВО; Г - ввод команды ВПРАВО; СТОП – ввод команды СТОП на заданное время; ПУСК – ввод команды ПУСК программы; 1, 2, 3, 4 – задание командам ВПЕРЕД, ВЛЕВО, ВПРАВО временных интервалов 1, 2, 3, 4 с соответственно.
Время выполнения команд НАЗАД и СТОП задается количеством нажатий клавиш. При этом одно нажатие клавиши соответствует примерно 1с. Дискретность времени выполнения всех временных команд задаётся различными вариантами установки джамперов П1 и П2.
3.4. Принципы программирования движения платформы
С помощью клавиш устройства ввода можно вводить в память интегральной схемы 6 независимых друг от друга команд. Объем памяти позволяет вводить 30 шагов программы. Шаг – выполнение контроллером определенной команды, например, ВПЕРЕД 4, ВЛЕВО 2, СТОП и т. д.
Переключатель ПРГ/РАБ предназначен для переключения вида работ (при наборе программы – положение ПРГ, при выполнении программы – положение РАБ). Для стирания программы переключатель ПРГ/РАБ необходимо перевести в положение ПРГ или отключить источник питания. Переключатель непрерывного режима служит для обеспечения непрерывной или циклической работы программы. При наборе программы он выключен. Светодиод – индикатор ввода в программу команды.
4. Заключение
Для осознанного и продуктивного процесса конструирования автор изучал техническую сторону вопроса и физические принципы работы компьютерных программ. В итоге получена интересная и работоспособная авторская модель четырёхколёсной полноприводной платформы с микроконтроллерным управлением. Отличительная особенность проекта – колёса Илона, позволяющие модели свободно маневрировать в ограниченном пространстве. Результаты проекта можно предложить для конкретных целей, а именно, для использования в других творческих объединениях и для создания изделий использующихся на практике. Это вполне реальное применение полученных материалов, так как в процессе работы проводился достаточно полный цикл исследований, включающий создание прототипов будущей модели, их испытания, анализ полученных результатов и последующие необходимые корректировки изготавливаемых моделей.
5. Литература
1. ru.wikipedia.org/wiki. Колесо Илона.
2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н.Н. Физика -10. – М.: Просвещение, 2018. – 366 с.
3. Резников З.М. Прикладная физика. − М.: Просвещение, 1989. – 240 с.
4. Ревич Ю.В. Занимательная микроэлектроника. – СПб: БХВ-Петербург, 2007. – 592 с.
5.Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров. −М.: Наука, 1979.
6. Приложение
Рис.1. Колеса Илона Рис. 2. Робот «URANUS»
|
И |
||
|
Вх1 |
Вх2 |
Вых |
|
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
Рис.3 а. Таблица истинности; б. Действие логического элемента «И»
Рис.4. Схема логического элемента «И»
на кнопочных ключах
Рис.5.Схема на диодах
Рис.6 а - в. Логический элемент «И» на кнопочных ключах
Р ис.7 а, б. Работа логического элемента «И»: светодиод излучает только при
н аличии сигналов на двух входах
|
ИЛИ |
||
|
Вх1 |
Вх2 |
Вых |
|
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
|
0 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
Рис. 8 а- в. Работа логического элемента «ИЛИ» Рис.9. Таблица истинности
.
Рис.10. Схема логического элемента «ИЛИ» Рис.11. Схема на диодах
на кнопочных ключах
Рис.12 а -в. Логический элемент «ИЛИ» на кнопочных ключах
Рис. 13. Работа логического элемента «ИЛИ»: светодиод излучает при наличии сигнала хотя бы на одном входе
|
НЕ |
|
|
Вх |
Вых |
|
0 |
1 |
|
1 |
0 |
Рис. 14 а, б. Работа логического элемента «НЕ» Рис.15. Таблица
Рис.16. Схема логического элемента «НЕ» Рис.17 Схема на транзисторе на кнопочных ключах
Рис.18 а, б. Логический элемент «НЕ» на кнопочных..ключах
Рис.19 а, б. Элемент «НЕ»: светодиод излучает когда сигнала на входе нет.
Рис. 20 а- в. Машина и её прототипы (четырёхколёсный и шестиколёсный )
Рис. 21 а, б. Этапы сборки
Рис.22 а. Установка конденсаторов, диодов, и резисторов; б. Установка маломощных транзисторов
Рис. 22 в. Установка силовых транзисторов
Рис. 23 . Микропроцессорный блок управления. Указание деталей
Рис. 24. Машина в сборе
Рис. 25. Контроллер. Схема электрическая принципиальная