Jak zbudować robota i nauczyć go fizyki

Transkrypt

1 Jak zbudować robota i nauczyć go fizyki mgr inż. Paweł Karwat Instytut Fizyki, Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska Wrocław, 22. września 2014

2 Plan prezentacji 1 Wprowadzenie 2 Arduino jak się zarazić 3 VeicoloP - pomysł i jego realizacja 4 Zdalne sterowanie 5 Własna aplikacja na smartfon/tablet 6 Plany na przyszłość

3 Wprowadzenie Uczeń Matematyk Kucharz Fizyk teoretyk Co ich łączy? Odpowiedź na następnym slajdzie. Malarz

4 Każdy jest w stanie zbudować robota Nawet jeśli jeszcze o tym nie wie :) Arduino jest dla wszystkich.

5 Arduino 2005 stworzenie kompletnego projektu kontrolera mieszczącego się na jednej płytce (układy Atmega firmy Atmel) W małej fabryce w miejscowości Ivera we Włoszech rozpoczyna się masowa produkcja Arduino (nazwa nadana na cześć króla Arduina z Ivery) Arduino adresowane jest do osób, dla których programowanie stanowi jedynie środek, a nie cel stąd też jego prostota Nieograniczone możliwości od banalnych projektów po zaawansowane (systemy sterowania roletami, wirtualny tort ze świeczkami LED itp.) Massimo Banzi i David Cuartielles (twórcy Arduino) Przewiduje się, że do końca tego roku na rynku będzie w użyciu ponad milion płytek Arduino

6 Arduino podstawowe informacje ARDUINO to w ogólności zestaw płytek elektronicznych, za pomocą których możliwe jest skonstruowanie dowolnych urządzeń elektronicznych MODUŁOWA KONSTRUKCJA - budowanie jak z klocków (kolejne płytki wpina się w poprzednie) MIKROKONTROLER 8. bitowy procesor Atmel AVR, główny element płytki bazowej CO TO JEST MIKROKONTROLER? To układ logiczny wyposażony w wejścia, który aktywuje wyjścia na podstawie algorytmu umieszczonego w pamięci Arduino (poprzez jego analizę) GDZIE JESZCZE MOŻNA JE SPOTKAĆ? Mikrokontrolery są praktycznie wszędzie w pralce, w lodówce, w piekarniku, telefonie, samochodzie i w wielu innych urządzeniach dostępnych na co dzień Uniwersalność płytek sprawia, że można je w przyszłości zastosować do innych ciekawych i nietypowych projektów

7 Arduino przykładowe realizacje

8 Arduino przykładowe realizacje

9 Arduino przykładowe realizacje

10 Arduino przykładowe realizacje

11 Arduino płytka bazowa, z czego się składa? Przycisk reset Piny cyfrowe Złącze USB Dioda zasilania Stabilizator napięcia Mikrokontroler ATmega328 Piny analogowe Zasilanie 7-12V Piny zasilania

12 VeicoloP pomysł i realizacja Skąd ta nazwa? Veicolo to z języka włoskiego pojazd, a literka P to element personalizacji (P jak pojazd Pawła) :) Rys. 1 Pierwszy etap Rys. 2 Pierwsze zawirowanie Rys. 3 Pierwsze nawiązanie łączności

13 Założenia projektu 1 Robot ma możliwość poruszania się w dowolnym kierunku 2 Prędkość można regulować w czasie jazdy 3 Zdalne sterowanie przy wykorzystaniu technologii Bluetooth 4 Własna aplikacja na telefony/tablety z systemem Android 5 Obsługa touchpada i akcelerometrów 6 7 Wyposażony w laser pomocny w eliminacji przeszkód Pomiar temperatury, wilgotności powietrza i natężenia światła

14 VeicoloP od czego zacząć? 1 Zakup niezbędnych części 2 Konstruowanie robota 3 Programowanie robota 4 Przeprowadzenie testów gotowa aplikacja 5 Napisanie własnej aplikacji (App Inventor 2) 6 Pomysły na przyszłość

15 VeicoloP realizacja 1 Zamówienie niezbędnych części Co będzie potrzebne? PŁYTKA BAZOWA ARDUINO UNO (tania i bardzo popularna, Atmel ATmega328, 16 MHz, 14 wyprowadzeń cyfrowych, 6 analogowych, 32 kb pamięci flash na własne programy, 2 kb pamięci RAM) STEROWNIK SILNIKÓW ELEKTRYCZNYCH prądu stałego 2x1A (układ zwany mostkiem H) MODUŁ I/O, który umożliwi łączenie czujników bez konieczności lutowania KOSZYK na baterie/akumulatory LASER sporej mocy (np. 200 mw do pozyskania z uszkodzonej nagrywarki DVD) ODBIORNIK/NADAJNIK BLUETOOTH SILNICZEK ELEKTRYCZNY X2 CZUJNIK TEMPERATURY CZUJNIK WILGOTNOŚCI FOTOREZYSTOR, który posłuży do pomiaru natężenia padającego światła Podwozie, koła, elementy oświetlenia (diody LED), kable połączeniowe, śrubki itp.

16 VeicoloP realizacja 2 Konstruowanie robota

17 VeicoloP realizacja 3 Programowanie robota Język programowania podobny do C/C++ Wiele gotowych programów idealnych do nauki Kolorowana składnia Wbudowany kompilator Wgrywanie gotowego programu za pośrednictwem kabla USB

18 VeicoloP realizacja 4 TEST zdalnego sterowania Gotowa aplikacja MOBOT BTCar (idealna do prostych zastosowań)

19 VeicoloP realizacja 5 Własna aplikacja Sterowanie za pomocą dotykowego touchpada Dotyk touchpada w osi Y spowoduje, że robot będzie się poruszał do przodu lub do tyłu (najmniejsza prędkość w okolicach środka, największa na obrzeżach) Dotyk touchpada na osi X spowoduje obrót robota w prawo lub w lewo Jednoczesna jazda robota w przód/tył i w prawo/lewo możliwa po dotknięciu touchpada w okolicach środka każdej z ćwiartek układu

20 VeicoloP realizacja 5 Własna aplikacja App Inventor App Inventor to serwis działający on-line, dzięki któremu możliwe jest zaprojektowanie aplikacji na urządzenia z systemem Android Aplikacja jest składana z gotowych elementów (całość przypomina układanie puzzli) - do średnio-zaawansowanych projektów w zupełności wystarczy Wcześniej wspierana i rozwijana przez Google, a aktualnie przez jedną z najlepszych uczelni technicznych na Świecie - MIT (Massachusetts Institute of Technology) ZALETY: - prościej się chyba nie da - pisanie aplikacji w przeglądarce (wymagany dostęp do sieci) - szybkość tworzenia - możliwość przetestowania aplikacji w emulatorze lub wysłania na telefon/tablet WADY: - nauka obsługi wymaga trochę czasu

21 VeicoloP realizacja 5 Własna aplikacja App Inventor 2 (

22 VeicoloP wykorzystane czujniki AKCELEROMETR czujnik przyspieszenia Na podstawie informacji z akcelerometru można określić orientację wyświetlacza Najpopularniejsze akcelerometry 3-osiowe mierzące przyspieszenie w trzech różnych kierunkach (X, Y, Z) Akcelerometr mierzy przyspieszenie w jednostkach g przyspieszenia grawitacyjnego wynoszącego 9.81 m/s 2 Przykład: telefon leżący na biurku a) płasko b) pod kątem 45 stopni X = 0 X = 0.7g Y = 0 Y = 0 Z = g Z = 0.7g Dzięki tym wartościom łatwo można wyliczyć dokładny kąt przechylenia urządzenia. Rys. Przykład akcelerometru dwuosiowego

23 VeicoloP wykorzystane czujniki ULTRADŹWIĘKOWY CZUJNIK ZBLIŻENIOWY czujnik odległości Najważniejsza zaleta działa w ciemności Przybliżona szybkość dźwięku w powietrzu (rzeczywista zależy od temperatury): 340 m/s (~1224 km/h) JAK TO DZIAŁA? Czujnik wysyła fale dźwiękowe o częstotliwości niesłyszalnej dla ludzkiego ucha i mierzy czas, który upłynął od momentu wysłania do jego powrotu (czyli po odbiciu od przeszkody) Dokładność mierzenia odległości: 1 cm Maksymalny wiarygodny pomiar do 300 cm

24 VeicoloP wykorzystane czujniki FOTOREZYSTOR element światłoczuły Zmiana rezystancji pod wpływem natężenia padającego promieniowania Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejsza się jego rezystancja) CZUJNIK TEMPERATURY I WILGOTNOŚCI POWIETRZA Typowy czas reakcji: 30s - 60s Zmiany właściwości elektrycznych określonych materiałów zachodzące w wyniku pochłaniania wilgoci z otoczenia

25 VeicoloP realizacja 6 Plany na przyszłość dodanie trybu autonomicznego (line follower, czujnik odległościowy ultradźwiękowy, unikanie przeszkód na torze, doskonalenie algorytmów jazdy) stworzenie stacji meteorologicznej (pomiar natężenia światła, temperatury, ciśnienia) monitorowanie biurka podczas nieobecności i w razie wykrycia ruchu wysłanie alarmowego sms a do właściciela inne pomysły, które przyjdą w trakcie

26 Pytania? Informacje o kolejnych wystąpieniach (z nowymi możliwościami robota) wkrótce pod adresem: Do zobaczenia!

27 Dziękuję za uwagę :) Koniec Będę tęsknił