PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KIERUNEK: Automatyka i Robotyka PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA Projekt optymalnego układu pomiarowego dla robota typu micromouse Design of an optimal measurement system for robot-type micromouse AUTOR: Łukasz Chojnacki PROMOTOR: dr inż. Robert Czabanowski, W10/K5 OCENA PRACY: WROCŁAW 2015

2

3 SPIS TREŚCI 1. Wstęp Roboty mobilne Robot holonomiczny i nieholonomiczny Klasy robotów mobilnych [18] Popularne zawody robotyczne w Polsce Minisumo LineFollower Micromouse Cel projektu i zadanie robota Stan wiedzy i techniki o robotach Micromouse GreenGigant v Tetra Min Rapid Vampire Określenie wymagań stawianym robotowi Ograniczenia konstrukcyjne wynikające z regulaminu zawodów Określenie mierzonych wielkości i możliwość ich pomiaru Odległość od ścian Pomiar prędkości kątowej Projekt robota typu Micromouse Projekt części mechanicznej Projekt układu napędowego Projekt części elektronicznej Moduł zasilania Moduł sterowania Moduł pomiaru odległości Moduł pomiaru prędkości kątowej silników Moduł pomiaru kąta obrotu Moduł pomiaru poziomu naładowania baterii Moduł sterowania silnikami Moduł komunikacji z otoczeniem Projekt płytki elektronicznej robota Projekt algorytmu sterowania robota Zestawienie podstawowych parametrów robota Analiza przydatności sensorów do wykonania konkretnych zadań Odległości robota od ścian Główne założenia testu Dokładny opis testu Przemieszczenie robota Ruch prostoliniowy robota Opis oraz główne założenia testu

4 2 Spis treści Układ automatycznej regulacji Identyfikacja silników robota Orientacja robota Główne założenia testu Dokładny opis wykonania testu Podsumowanie Wnioski Literatura Spis rysunków Spis tabel

5 1. WSTĘP 1.1. ROBOTY MOBILNE Robot mobilny posiada zdolność do poruszania się po swoim środowisku i nie jest przytwierdzony do jednej fizycznej lokalizacji, w przeciwieństwie do robotów przemysłowych. Tego typu roboty są głównym obiektem badań większości uniwersytetów na całym świecie. Ze względu na środowisko w którym się przemieszczają, roboty mobilne można podzielić następująco: Roboty poruszające się po lądzie (ang. Unmanned Ground Vehicles (UGVs)). Robot może się poruszać za pomocą: kół, gąsienic albo nóg, dwóch (roboty humanoidalne) albo więcej (roboty przypominające zwierzęta albo insekty). Roboty latające (ang. Unmanned Aerial Vehicles (UAVs)) Roboty pływające (ang. Autonomous Underwater Vehicles (AUVs)) W pracy przez pojęcie robota mobilnego, będzie rozumiało się robota, który porusza się po lądzie za pomocą kół Robot holonomiczny i nieholonomiczny Robot holonomiczny to robot posiadający tylko ograniczenie dotyczące przestrzeni, w której robot może się poruszać. Oznacza to, że nie może przejechać przez ścianę, podłogę oraz inną przeszkodę napotkaną na jego drodze. Robot nieholonomiczny, oprócz ograniczeń dotyczących przestrzeni, posiada także ograniczenia dotyczące realizacji ruchu. Ograniczenia ruchu są skutkiem występowania zjawiska tarcia pomiędzy kołem i podłożem. Koła nie mogą przesuwać się poprzecznie, tylko wzdłużnie poprzez toczenie i obrót kół Klasy robotów mobilnych [18] Klasy robotów mobilnych zapisywane są jako para liczb ( m, s ), gdzie: m stopień mobilności, oznacza liczbę stopni swobody korpusu robota, które mogą być zmieniane poprzez zmianę prędkości koła. s stopień sterowalności, oznaczający liczbę niezależnie orientowanych kół skrętnych. Stopień mobilności oraz stopień sterowalności robota powinny spełniać równania (1.1), (1.2) i (1.3), aby ruch robota był możliwy. 1 m 3 (1.1) 0 s 2 (1.2) 2 m + s 3 (1.3)

6 4 Rozdział 1. Wstęp Na tej postawie można przedstawić następujące klasy robotów mobilnych (rys. 1.1) : Klasa (1,1) tzw. samochód kinematyczny, zachowujący się tak samo jak samochód. Platforma o takim rozwiązaniu jest niewrażliwa na nierówności, ale największym problem jest zawracanie, ponieważ promień skrętu jest znacznie większy od innych konstrukcji. Klasa (1,2) robot posiadający dwa koła kierowane oraz jedno koło kastora 1 (rys. 1.3). W przypadku kiedy kąty skrętu naszych kół są takie same, otrzymujemy rozwiązanie jak w klasie (1,1). Największą wadą takiej konstrukcji jest sterowanie. Klasa (2,0) tzw. unicycle, posiadający dwa koła umieszczone na wspólnej osi i na sztywno przymocowane do podstawy. Jest to prosta konstrukcja, charakteryzująca się prostym sterowaniem. Niestety układ jest wrażliwy na nierówności. Klasa (2,1) robot posiada jedno koło napędowe oraz dwa koła kastora. Prosta konstrukcja, której wadą są trudne sterowanie i wrażliwość na nierówności. Klasa (3,0) robot posiada trzy koła szwedzkie (rys. 1.2) umieszczone we wierzchołkach trójkątnej podstawy. Niewątpliwą zaletą jest możliwość przemieszczania się w dowolnym kierunku (robot holonomiczny). Niestety robot o takiej konstrukcji jest trudny w sterowaniu. klasa (1,1) klasa (1,2) klasa (2,0) klasa (2,1) klasa (3,0) Rys Klasy robotów mobilnych Rys Przykładowe koło szwedzkie [18] Rys Przykładowe koło kastora [15] 1 Koło nie jest napędzane, ani kierowane. Zostaje zamocowane tak, aby mogło obracać się w kierunku zgodnym z kierunkiem robota. Przykład zastosowania można znaleźć w krzesłach biurowych.

7 Rozdział 1. Wstęp POPULARNE ZAWODY ROBOTYCZNE W POLSCE Rywalizacja konstrukcji robotycznych emocjonuje ludzi na całym świecie. Bardzo dużo zawodów odbywa się także w Polsce i są to m.in. Robotic Arena we Wrocławiu, Robomaticon we Warszawie, Sumo Challenge w Łodzi, Robocomp w Krakowie, Cyberbot w Poznaniu oraz ROBO motion w Rzeszowie. Podczas zawodów, organizowane są różne konkurencje, w jakich mogą rywalizować roboty, a o ich zwycięstwie decyduje algorytm, moc silników i szybkość Minisumo Jedną z popularniejszych kategorii na polskiej scenie robotycznej, są zawodny minisumo. Dwa roboty stawiają sobie czoła na okrągłym ringu zwanym dohyo i wygrywa ten, który wcześniej zepchnie przeciwnika. Ten rodzaj rywalizacji bardzo przypomina rywalizację zawodników sumo. Decydującym czynnikiem, który decyduje o wygranej, są mocne silniki robota, o dużym momencie obrotowym, aby móc zepchnąć przeciwnika. Roboty rywalizujące ze sobą przestawia rysunek 1.4. Istnieje bardzo wiele różnych odmian tego typu rywalizacji, które różnią się dopuszczalnymi wymiarami oraz wagą robotów, a także rozmiarem ringu. Podstawowe różnice przedstawiono w tabeli 1.1. Tabela 1.1. Podstawowe różnice pomiędzy odmianami konkurencji [5] rozmiar robota waga robota Promień dohyo nanosumo 25mm x 25mm x 25mm 25g 193mm microsumo 50mm x 50mm x 50mm 100g 385mm minisumo 100mm x 100mm 500g 770mm sumo 200mm x 200mm 3000g 1540mm Od kilku lat, organizowana jest konkurencja minisumo enhanced charakteryzująca się tym, że roboty minisumo walczą na ringu o wymiarach przeznaczonych dla robotów sumo. Taka zmiana wynikła z faktu, że roboty są coraz szybsze i organizatorzy zdecydowali się na powiększenie ringów, aby urozmaicić pojedynek. Na niektórych zawodach robotycznych można także spotkać także rozszerzone wersje konkurencji microsumo oraz nanosumo. Rys Pojedynek robotów kategorii MiniSumo Enhanced podczas zawodów robotycznych Robotic Arena 2014 [11]

8 6 Rozdział 1. Wstęp LineFollower Kolejną interesującą konkrecją jest LineFollower. Celem robota jest przejechanie trasy, podążając wzdłuż linii. Wygrywa ten robot, który przejedzie wszystkie tory podczas zawodów w jak najkrótszym czasie. Robot powinien mieć maksymalne wymiary odpowiadające kartce o formacie A4. Ten rodzaj rywalizacji bardzo przypomina zawody Formuły 1, gdzie kierowca, który pokona dany tor jak najszybciej, wygrywa. Ważne jest, aby robot był szybki oraz miał dobrą przyczepność. Na rysunku 1.5 został przedstawiony robot podążający wzdłuż linii. Rys Przejazd robota kategorii LineFollower podczas Robotic Arena 2012 [8] W ostatnich latach z opisywanej kategorii powstały dwie nowe LineFollower Turbo oraz LineFollower Light. Spowodowane jest to rozwojem robotów tej klasy. W konkurencji LineFollower Turbo występują roboty wyposażone w tzw. turbinę, która powoduje zwiększenie nacisku robota na podłoże, dzięki temu robot może pokonywać zakręty w krótszym czasie. Roboty bez turbiny występują w kategorii LineFollower Light Micromouse Micromouse jest to rodzaj zawodów robotów, w których robot mysz rozwiązuje labirynt (rys.1.6). Zawody zostały zapoczątkowane w późnych latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Aktualnie rozgrywane są na całym świecie i cieszą się ogromną popularnością w Japonii, Wielkiej Brytanii, USA, Singapurze, Indiach i Korei Południowej. Labirynt składa się z siatki 16x16 (256) komórek o wymiarach 180mm x180mm. Ściany labiryntu mają grubość 12mm (powoduje to, że powierzchnia po której porusza się robot jest ograniczona do kwadratu o boku 168mm) oraz wysokość 50mm. Celem robota jest pokonanie drogi od startu do mety (nazywane rozwiązanie labiryntu ) w jak najkrótszym czasie. Robot w czasie rozgrywki dokonuje rozpoznania labiryntu (tzw. search run), a następnie wraca do pola startowego i wykonuje najszybszy przejazd do mety (tzw. speed run). Wygrywa robot, który zrealizuje zadanie w jak najkrótszym czasie.

9 Rozdział 1. Wstęp 7 Rys Przykładowy labirynt z 2012 All Japan Micromouse Contest [14] 1.3. CEL PROJEKTU I ZADANIE ROBOTA Celem pracy jest zaprojektowanie optymalnego systemu pomiarowego robota startującego w zawodach typu Micromouse. Robot, aby dotrzeć do celu musi poruszać się w sposób autonomiczny. Komunikacja z robotem w czasie zawodów jest zabroniona. Kryterium, które decyduje o zwycięstwie jest czas przejazdów [6].

10 2. STAN WIEDZY I TECHNIKI O ROBOTACH MICROMOUSE Robota Micromouse można podzielić na następujące części: Układ zasilania dostarczenie energii robotowi. Układ pomiarowy zebranie informacji o otaczającym świecie. - czujniki odległości określenie odległości robota od ścianek labiryntu, - enkodery określenie przejechanej drogi przez robota, - żyroskop określenie orientacji robota w labiryncie. Mikrosterownik wykonanie odpowiednich operacji na zebranych danych i określenie jaki ruch ma wykonać robot. Układ napędowy powoduje wykonanie ruchu przez robota. Ruch Pomiar Robot Micromouse Przetworzenie zebranych informacji Zasilanie Rys Schemat koncepcyjny robota Micromouse Część pomiarowa ma za zadanie zmierzyć odpowiednie wielkości fizyczne, które pozwolą robotowi dowiedzieć się w jakim miejscu w labiryncie aktualnie się znajduje. W tym celu wykorzystywane są czujniki zbliżeniowe, enkodery, żyroskop oraz ewentualnie akcelerometr lub/i magnetometr. Czujniki zbliżeniowe pozwalają zmierzyć odległość robota od ściany labiryntu. Zazwyczaj w robotach tej klasy stosowane są: dioda IR oraz fototranzystor. Za pomocą enkodera potrafimy określić jaką odległość przejechał robot oraz z jaką prędkością przejechał dany odcinek. Do określenia rotacji względem osi Z (ang. yaw, rys.2.2) wykorzystywany jest żyroskop. Jednak w żyroskopie występuje zjawisko dryfu. Jednym z sposobów na wyeliminowanie błędu z żyroskopu jest fuzja sensoryczna z akcelerometrem lub/i magnetometrem, czyli połączeniu informacji niesionych przez pojedyncze czujniki w informacje o stanie całego układu. Aby robot mógł wykonać ruch wykorzystuje się silniki prądu stałego (DC motors). Mostek H (H bridge) stosuje się do sterowania prędkościami silników oraz kierunkiem obrotu kół.

11 Rozdział 2. Stan wiedzy i techniki o robotach Micromouse 9 Rys Nazwy osi obrotów Robot potrzebuje także mikrokontrolera, który otrzyma informację od części pomiarowej, przetworzy ją, a następnie przekaże do części odpowiedzialnych za wykonanie ruchu robota. Zazwyczaj do tego zadania wykorzystuje się mikrokontroler. Ostatnio bardzo popularne stały się 32 bitowe mikrokontrolery STM32 z rdzeniami Cortex. Każde urządzenie elektroniczno-mechaniczne potrzebuje prądu elektrycznego do działania. W tym celu wykorzystuje się zazwyczaj akumulatory litowo-polimerowe (Li-pol), ponieważ mają najlepszy stosunek wagi do czasu działania, spośród innych źródeł energii elektrycznej. Aby uzyskać odpowiednie napięcie dla każdego urządzenia stosuje się regulatory napięcia lub/i przetwornice GREENGIGANT V4.1 Robot został zbudowany przez Green Ye, studenta Uniwersytetu Kalifornijskiego (kampus Los Angeles). Robot GreenGigant v4.1 jest najlepszą konstrukcją w Stanach Zjednoczonych Ameryki pod względem osiągów. Rys GreenGigant v4.1 [9]

12 10 Rozdział 2. Stan wiedzy i techniki o robotach Micromouse Tabela 2.1. Zestawienie parametrów oraz podzespołów robota GreenGigant (rys. 2.3) Wymiary 93mm x 75 mm x 24 mm Waga 90g Zasilanie Li-Pol 120mAh Mikroprocesor STM32F405RGT6 Silniki Fauhalber SR IE2-512 Sterownik silnika Zetex ZXMHC3F381N8 Max4427 Żyroskop ADXRS620 Enkoder wbudowany w silnik Dioda IR SFH4545 Fototranzystor TEFT4300 Warto zauważyć, że urządzenie charakteryzuje się typowymi parametrami oraz podzespołami dla robotów z tej klasy. Mikrokontroler to STM32F405RGT6 z rdzeniem Cortex-M4. Rdzenie te umożliwiają sprzętową obsługę liczb zmiennoprzecinkowych pojedynczej precyzji. Jest to niewątpliwa zaleta, pomagająca przyśpieszyć skomplikowane obliczenia TETRA Jedna z topowych konstrukcji zbudowana przez robotyka o nick u Kato-san. Robot jest uznawany za jednego z najszybszych w tej kategorii na świecie. W 2009 roku ustanowił rekord w pokonywaniu labiryntu z czasem 4,7s. Rys Tetra [4] System tworzenia mapy labiryntu oparty jest na czterech dalmierzach optycznych, enkoderach wbudowanych w silnik oraz żyroskopie. Napęd robota stanowi silnik prądu stałego wraz z własnoręcznie zaprojektowaną przekładnią oraz oponami Mini-Z o bardzo dużej przyczepności.

13 Rozdział 2. Stan wiedzy i techniki o robotach Micromouse 11 Tabela 2.2. Zestawienie parametrów oraz podzespołów robota Tetra (rys. 2.4) Wymiary 90mm x 74mm x 22 mm Waga 71g Zasilanie Li-Pol 70mAh Mikroprocesor STM32 Silniki Faulhaber SR IE2-512 Sterownik silnika LTC ECH8659 Żyroskop ADXRS610 Enkoder Wbudowane w silniki Dioda IR SFH4550 Fototranzystor TPS601 Konstruktor rozwiązał bardzo dużo problemów m.in. duża zwrotność pomimo zastosowania dwóch kół po obu stronach robota przy możliwości do prawie natychmiastowego zatrzymania się oraz braku poślizgów MIN7 Robot w 2011 roku podczas zawodów All-Japan Micromouse Contest ustanowił rekord dojechania do środka labiryntu z czasem 3,9s. Prędkość maksymalna robota to 3,5 m s. Rys Min7 [12] Konstruktorem jest Ng Bent Kiat, który pracuje na Ngee Ann Polytechnic. Jego zainteresowania skupiają się na systemach wbudowanych oraz robotyce. Min7 jest jego pierwszą czterokołową konstrukcją.

14 12 Rozdział 2. Stan wiedzy i techniki o robotach Micromouse Tabela 2.3. Zestawienie parametrów oraz podzespołów robota Min7 (rys. 2.5) Wymiary 100mm x 75mm x 25 mm Waga 90g Zasilanie Li-Pol 150mAh 2S (7,4V ) Mikroprocesor STM32F103RE Silniki Faulhaber 1717T06SR IE256 Sterownik silnika Zetex ZXMHC3A01T8 Żyroskop ADXRS610 Enkoder Wbudowane w silniki Dioda IR SFH4511 Fototranzystor TEFT RAPID Marcin Niestrój jest konstruktorem robota Rapid, który osiągał sukcesy na polskich zawodach robotycznych m.in.: I miejsce w kategorii Micromouse na zawodach Robotic Arena 2012 II miejsce w kategorii Micromouse na zawodach Robomaticon 2013 I miejsce w kategorii Micromouse na zawodach Trójmiejski Turniej Robotów 2013 I miejsce w kategorii Micromouse na zawodach ROBO motion 2013 Robot charakteryzuje się wymiarami pozwalającymi poruszać mu się po przekątnych. Nisko położony środek ciężkości oraz niska masa pozwalają osiągać prędkość maksymalną 3 m s oraz przyśpieszenie liniowe 9 m s 2. Konstrukcja jest zaokrąglona z przodu, co pozwala na lepsze zachowanie się robota podczas zderzeń ze słupkami lub ściankami. Rys Rapid [10] Robot ma 112mm długości oraz 75mm szerokości. Jego waga wynosi 82g 87g w zależności od użytych akumulatorów.

15 Rozdział 2. Stan wiedzy i techniki o robotach Micromouse 13 Napęd robota stanowią dwa silniki Pololu HP 10:1 pozwalające uzyskiwać bardzo dobre prędkości przejazdu robota. Dodatkowymi walorami silników są ich stosunkowa niska cena oraz duża dostępność na polskim rynku. Wadą jest trudne wysterowanie napędu dla małych prędkości do 30 cm. s Robot wyposażony jest w mikrokontroler STM32F405RGT6 z rdzeniem Cortex-M4F. Bardzo dużą zaletą jest sprzętowa obsługa liczb zmiennoprzecinkowych. Jako czujniki odległości konstruktor wykorzstał diody SFH4511 oraz fototranzystor TEFT4300. Wykorzystywane są magnetyczne enkodery liniowe AS5304 wraz z odpowiednimi magnesami dostarczonymi od producenta. Użyte czujniki pozwalają uzyskać rozdzielczość 3520 impulsów na obrót koła, co daje w wyniku 0,028 mm. Do pomiaru orientacji robota został zastosowany impuls żyroskop cyfrowy L3GD20 komunikujący się mikrokontrolerem za pomocą interfejsu SPI. W projekcie użyto dwóch dwukanałowych sterowników silników TB6612, po jednym na każdy silnik. Jako zasilanie wykorzystywane są akumulatory litowo-polimerowe o bardzo małych rozmiarach i niewielkiej masie. Z powodu małych pojemności konieczna jest ich częsta wymiana i ładowanie. W robocie używane są zamiennie dwa zestawy pakietów: 2x Lightmax 138mAh 3.7V oraz 2x 3E Model Max Force 230 mah 3,7 V. Baterie są podłączane szeregowo, tak by uzyskać napięcie wyjściowe równe 7,4V. Użyte zostały dwa stabilizatory, dające na wyjściu 5V oraz 3.3V. Napięcie równe 5V wykorzystywane jest do zasilania enkoderów oraz diod podczerwieni, natomiast napięciem 3.3V zasilana jest pozostała część elektroniki w robocie. Silniki zasilane są natomiast napięciem bezpośrednio z akumulatorów. Tabela 2.4. Zestawienie parametrów oraz podzespołów robota Rapid (rys. 2.6) Wymiary 112mm x 77mm Waga 85g Zasilanie ZIPPY Lightmax 138mAh Mikroprocesor STM32F405RGT6 Silniki Pololu 10:1 Sterownik silnika TB6612FNG Żyroskop L3GD20 Enkoder AS5304 Dioda IR SFH4511 Fototranzystor TEFT4300

16 14 Rozdział 2. Stan wiedzy i techniki o robotach Micromouse 2.5. VAMPIRE2 Konstruktorem robota jest Adrian Muzyka. Jest to jego drugi robot micromouse. Pojazd wyposażony jest w mikrokontroler STM32F407VGT6 wyposażony w sprzętową jednostkę zmiennoprzecinkową. Robot osiąga prędkość maksymalną 1,6 m s. Rys Vampire2 [1] Tabela 2.5. Zestawienie parametrów oraz podzespołów robota Vampire2 (rys. 2.7) Wymiary 95 mm x 75 mm Waga brak danych Zasilanie Dualsky 150mAh 7,4V Mikroprocesor STM32F407VGT6 Silniki Pololu 30:1 Sterownik silnika TB6612FNG Żyroskop L3GD20 Enkoder AS5306 Dioda IR SFH4511 Fototranzystor TEFT4300

17 3. OKREŚLENIE WYMAGAŃ STAWIANYM ROBOTOWI 3.1. OGRANICZENIA KONSTRUKCYJNE WYNIKAJĄCE Z REGULAMINU ZAWODÓW Regulamin rozgrywek zawodów Robotic Arena [6] nie określa dokładnie jakie wymiary oraz jaką wagę maksymalną powinien mieć robot. Robot musi zmieścić się w jednej komórce labiryntu, która ma wymiary 180mm x 180mm. Należy także uwzględnić grubość ścianki labiryntu, która wynosi 12mm. Z wymienionych faktów wynika, że aby robot mógł poruszać się po labiryncie, jego wymiary powinny być mniejsze niż 168mm. Chcąc osiągać jak najszybsze czasy przejazdu, należy wziąć pod uwagę możliwość jeżdżenia po przekątnych komórki labiryntu (rys.3.2). Do uzyskania takiego efektu należy zminimalizować maksymalne rozmiary robota do połowy przekątnej pola pomniejszonego o przekątną słupka. Z obliczeń (3.1) wynika, że maksymalny wymiar robota może wynieść 110mm. R max = 180mm 2 12mm mm (3.1) Rys Ruch robota nie poruszającego się po przekątnych Rys Ruch robota poruszającego się po przekątnych Waga robota powinna być jak najmniejsza. Im mniejsza masa robota, tym większe możliwości osiągania dużych prędkości bez wpadania w poślizgi boczne. Robot powinien być także zwrotny. Dużą manewrowość oraz łatwość sterowania zapewnia budowa robota mobilnego klasy (2,0). Ważnym aspektem jest także nisko położony, blisko osi silników, środek ciężkości. Powoduje to łatwiejsze zmuszenie robota do zmiany kierunku jazdy.

18 16 Rozdział 3. Określenie wymagań stawianym robotowi 3.2. OKREŚLENIE MIERZONYCH WIELKOŚCI I MOŻLIWOŚĆ ICH POMIARU Odległość od ścian Układ do pomiaru odległości od ścian powinien być mało wrażliwy na zakłócenia spowodowane zmiennymi warunkami oświetlenia panującymi na zawodach. Pomiar musi być wykonywany w jak najkrótszym czasie. W tym celu stosuje się czujniki podczerwieni. W sprzedaży można spotkać bardzo wiele gotowych optycznych czujników podczerwieni m.in. analogowy Sharp GP2Y0A21YKOF oraz cyfrowy VCNL4020. Czynnikiem eliminującym wymienione sensory jest duża obudowa albo niewystarczający zakres pomiarowy. Najlepszy rozwiązaniem jest wykorzystanie diody IR oraz fototranzystora. Dzięki takiemu podejściu otrzymujemy układ pomiarowy charakteryzującym się kompaktowymi wymiarami, małą wagą oraz dużą prostotą pomiaru (wystarczy zmierzyć napięcie na fototranzystorze). Do uzyskania jak najbardziej dokładnych pomiarów należy zastosować diody o wąskim kącie świecenia. Należy pamiętać aby dobrać diodę oraz fototranzystor pracujące w tej samej długości fali elektromagnetycznej. Dioda IR emituje wiązkę światła, która odbita od przeszkody powraca. Powracający promień świetlny powoduje częściowe otwarcie fototranzystora. Wykorzystując zależność, że natężenie odbitego promienia jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości, można uzależnić odległość od napięcia na fototranzystorze Pomiar prędkości kątowej Robot musi przemieszczać się precyzyjnie w labiryncie. Idealne poruszanie się po linii prostej nie powinno stanowić dla niego najmniejszego problemu. Teoretycznie, jeżeli na dwa silniki prądu stałego zostanie podane to samo napięcie, wały silnika powinny poruszać się z taką samą prędkością kątową. Niestety, w praktyce, prędkości będą inne, co powoduje skręcanie robota. W takim przypadku należy zadbać o zamknięcie układu pętlą sprzężenia zwrotnego. Można tego dokonać, mierząc rzeczywistą prędkość kątową wprowadzając poprawki dla sterowania silnikami. Informację o prędkości kątowej można uzyskać stosując prądnice tachometryczną. Prądnica jest urządzeniem w której wytworzone napięcie jest proporcjonalne do prędkości kątowej wirnika. Inną metodą pomiaru prędkości kątowej jest zastosowanie enkoderów. Enkodery dzielimy na absolutne oraz inkrementalne (rys. 3.3). Enkodery Absolutne Inkrementalne Rys Podział enkoderów ze względu na pomiar

19 Rozdział 3. Określenie wymagań stawianym robotowi 17 Enkoder inkrementalny generuje na wyjściu impulsy odpowiadającemu ruchowi obrotowemu. Enkoder charakteryzuje się stałą rozdzielczością określaną ilością impulsów na obrót. Im większa rozdzielczość tym większa dokładność pomiaru. Budowa enkodera nie jest skomplikowana. Stosuje się nadajnik, który jest źródłem światła oraz odbiornik, fototranzystor. Pomiędzy nimi znajduje się przezroczysta tarcza z częściowo zamalowanymi obszarami. Światło z odbiornika pada na tarczę, a następnie na fototranzystor (rys. 3.4). W zależności od tego, czy tarcza przepuści emitowany promień świetlny, czy nie, fototranzystor otworzy się od emitowanego światła i na wyjściu powstanie przebieg prostokątny. Stan wysoki odpowiada otwartemu fototranzystorowi. (a) Enkoder inkrementalny (b) Enkoder absolutny Rys Tarcze enkoderów [7] Enkodery absolutne określają pozycję osi wału na podstawie odczytu kodu cyfrowego z tarczy enkodera. Każdemu położeniu wału odpowiada wartość liczbowa zakodowana w postaci kodu binarnego albo kodu Gray a. Częściej stosuje się kod Gray a ponieważ sposób zapisu eliminuje powstanie błędu grubego odczytu. Enkoder pamięta aktualną pozycję nawet po wyłączeniu zasilania.

20 4. PROJEKT ROBOTA TYPU MICROMOUSE Bardzo ważnym etapem podczas budowy robota jest projekt. Dzięki przemyślanej konstrukcji można wyeliminować sporo problemów podczas kolejnych etapów budowy. W tym rozdziale zostanie przedstawiony projekt części mechanicznej oraz elektronicznej robota Micromouse i zostanie omówiony diagram postępowania robota podczas przejazdu PROJEKT CZĘŚCI MECHANICZNEJ Projekt części mechanicznej robota został przedstawiony na rysunku 4.1. Model robota został zaprojektowany w programie Autodesk Inventor. Robot pod względem mechanicznym składa się z silników, baterii oraz podwozia. Elementy elektroniczne zostały pominięte w celu uproszczenia modelu. Rys Model geometryczny części mechanicznej robota Robot pod względem mechanicznym powinien charakteryzować się: Możliwością uzyskiwania dużych prędkości. Środkiem ciężkości położony nisko oraz możliwie blisko silników. Możliwie jak najmniejszy moment bezwładności względem osi Z (rys. 2.2). Podwozie robota będzie stanowić płytka elektroniczna, do której zostaną przykręcone silniki. Aby zapewnić łatwą wymianę akumulatorów, zostaną one przymocowane do podwozia za pomocą rzepów. Na rysunkach 4.2 oraz 4.3 żółte koło przedstawia środek ciężkości modelu. Można zauważyć, że udało się osiągnąć założenie odnośnie położenia środka ciężkości.

21 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse 19 Rys Prezentacja położenia środka ciężkości robota widzianego z tyłu Rys Prezentacja położenia środka ciężkości robota widzianego z góry Projekt układu napędowego Bardzo popularnymi silnikami stosowanymi w robotach micromouse są silniki Faulhaber 1717T006SR, jednak są to bardzo drogie silniki. Jako tańszą alternatywę zastosowano silniki prądu stałego znajdujące się w serwomechanizmach TowerPro MG958. W tabeli 4.1 zostały porównane podstawowe parametry silników. Kolejnym elementem składającym się na układ napędowy robota jest przekładania zębata. W robocie zdecydowano się zastosować tradycyjną przekładnie zębatą o kołach walcowych i zazębieniu zewnętrznym. Aby otrzymać odpowiednią prędkość oraz moment obrotowy na wyjściu układu napędowego zdecydowano się zastosować przekładnie o przełożeniu 4:1. Podczas projektowania przekładni zębatej należy pamiętać, że jednym z warunków zazębienia się kół jest spełnienie równania 4.1, aby moduł koła czynnego był równy modułowi koła

22 20 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse Tabela 4.1. Porównanie silników DC [3] TowerPro MG958 Faulhaber 1717T006SR Napięcie nominalne 6V 6V Wymiary 17 mm x 18 mm 17 mm x 17 mm Masa 21 g 18 g Prędkość obrotowa rpm rpm Moment obrotowy 5,08 mnm 5,34 mnm biernego. Podczas obliczeń zastosowano wzory 4.2, 4.3 oraz 4.4. W tabeli 4.2 przedstawiono podstawowe parametry kół zębatych zastosowane w przekładni. m c = m b (4.1) p z = d π (4.2) m = p π = d z (4.3) i = n c n b = d b d c = z c z b = M c M b (4.4) gdzie: p podziałka obwodowa, odległość jednoimiennych boków zębów mierzona na łuku koła podziałowego. z liczba zębów. d średnica podziałowa, średnica okręgu na którym szerokość wrębu jest równa grubości zęba. i przełożenie przekładni. m moduł zęba, miara wielkości zęba. n prędkość obrotowa. M moment obrotowy. Tabela 4.2. Podstawowe parametry kół zębatych zastosowanych w przekładni Koło czynne Koło bierne m 0.5 mm 0.5 mm d 5 mm 20 mm z 10 40

23 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse 21 Rys Widok układu napędowego robota 4.2. PROJEKT CZĘŚCI ELEKTRONICZNEJ Moduł zasilania Moduł zasilania składa się z dwóch stabilizatorów liniowych, przełącznika, kondensatorów flitujących oraz diod informujących o napięciu na danym poziomie zasilania. Rys Schemat modułu zasilania

24 22 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse Robot zasilany jest baterią litowo-polimerową składającą się z dwóch ogniw o napięciu nominalnym 3.7V każda. W sumie nominalne napięcie zasilania wynosi 7.4V. Niektóre podzespoły robota, do poprawnej pracy potrzebują napięć 5V lub 3.3V, dlatego też zastosowano dwa stabilizatory napięcia. Otrzymano w ten sposób trzy poziomy napięcia. Schemat modułu przedstawia rys Stabilizatory liniowe w porównaniu z przetwornicami impulsowymi charakteryzują się niską sprawnością energetyczną (4.5) rzędu 25% 60%. η = P wy 100% = U wy I wy 100% (4.5) P we U we I we Korzystając ze wzoru 4.6 wyliczone zostały przewidywane straty na stabilizatorach. Obliczenia zostały przeprowadzone przy założeniu, że prąd obciążenia I obc wynosi 200mA oraz że napięcie wejściowe U we jest równe napięciu nominalnemu. Wyniki zostały przedstawione w tabeli 4.3. P strat = (U we U wy ) I obc (4.6) Tabela 4.3. Moc strat na stabilizatorach U we [V] U wy [V] I obc [A] P strat [W] 7,4 5,0 0,2 0,48 5,0 3,3 0,2 0, Moduł sterowania Moduł sterowania jest jednym z najważniejszych modułów w robocie. Jego zadaniem jest sterowanie poszczególnymi modułami robota w celu realizacji określonego zadania. Jak przedstawiono na rys. 4.6 moduł otrzymuje sygnały od modułów pomiarowych, a następnie po przetworzeniu informacji, steruje silnikami oraz komunikuje się z otoczeniem. Rysunek 4.7 przedstawia schemat elektroniczny modułu. Modu zasilania Modu pomiaru odleg o ci Modu pomiau pr. k towej Modu pomiaru k ta obrotu Modu pomiaru poziomu na adowania baterii Modu sterowania Modu sterowania silnikami Modu komunikacji z otoczeniem Rys Diagram modułu sterowania Jako moduł sterowania został wybrany mikrokontroler STM32F103RCT6 z procesorem ARM wyposażonym w nowoczesny, 32-bitowy rdzeń CORTEX-M3. Oferuje niski pobór energii oraz jest taktowany zegarem 72MHz.

25 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse 23 Rys Schemat modułu sterowania

26 24 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse Mikrokontroler posiada także: 256KB pamięci Flash, 32KB pamięci RAM, 12-bitowe przetworniki A/C, które są niezbędne do przetworzenia informacji m.in. z czujników odległości oraz żyroskopu. 16-bitowe timery potrzebne do sterowania silnikami (PWM) oraz posiadające sprzętową obsługę sygnałów kwadraturowych, bezpośredni dostęp do pamięci (ang. Direct Memory Access) pozwalający na odciążenie procesora od cyklicznych operacji oraz od przesyłu dużych ilości danych np. z przetwornika A/C do pamięci, interfejsy komunikacyjne: UART, USART, SPI, I 2 C, USB, CAN. Jedną z niewątpliwych zalet jest rosnąca popularność mikrokontrolerów STM32, niska cena, dostępność na polskim rynku oraz ogrom materiałów edukacyjnych. Mikrokontroler został wybrany w obudowie LQFP-64 zapewniającej kompaktowe rozmiary oraz możliwość bezproblemowego lutowania w warunkach domowych Moduł pomiaru odległości Omawiany moduł składa się z 4 diod IR, 4 fototranzystorów oraz układu Darlingtona. Rys Schemat modułu pomiaru odległości Zasada działania modułu jest bardzo prosta. Dioda IR emituje wiązkę z zakresu fal podczerwieni. Jeżeli wiązka trafi na przeszkodę, zostaje odbita od niej i powraca. Fototranzystor składa się z bazy, emitera oraz kolektora. Złącze kolektor baza jest wykonane jak fotodioda. Promieniowanie padające na ten obszar powoduje przepływ prądu bazy, który wymusza proporcjonalny prąd kolektora. Powracająca wiązką świetlna powoduje więc przepływ prądu bazy i powstanie napięcia pomiędzy kolektorem, a emiterem. Mierząc powstałe napięcie można ustalić odległość robota od przeszkody.

27 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse 25 Zastosowano 4 pary diod i fototranzystorów. Dwa z nich są umieszczone na wprost, a kolejne pod kątem 45. Umieszczenie na wprost umożliwia wykrycie przeszkody przed robotem, natomiast umieszczenie pod kątem, pozwala na wykrycie przeszkody, która będzie się znajdować obok robota. Na rysunku 4.9 zostało przedstawione rozmieszczenie diod i fototranzystorów na płytce robota. Rys Rozmieszczenie diod i fotorezystorów na płytce robota Podczas doboru odpowiednich diod IR oraz fototranzystorów, należy pamiętać, aby urządzenia działały w tej samej długości fali elektromagnetycznej. Dioda IR powinna mieć jak najmniejszy kąt promieniowania, aby wiązka świetlna była jak najbardziej skupiona. Natomiast fototranzystor powinien charakteryzować się szerokim kątem odbioru promieniowania Moduł pomiaru prędkości kątowej silników Napęd robota stanowią silniki prądu stałego, które są sterowane napięciem. Teoretycznie, jeżeli podamy napięcie to silniki powinny kręcić się z odpowiednią prędkością obrotową, która jest proporcjonalna do napięcia. Jednak w rzeczywistości silniki będą kręcić się trochę z innymi prędkościami. W takim przypadku należy zastosować układ regulacji ze sprzężeniem zwrotnym do pomiaru rzeczywistej prędkości kątowej silników. W tym celu zastosowano enkodery magnetyczne AS5040 firmy AMS. Schemat podłączenia układu przedstawiona na rysunku Rys Schemat modułu pomiaru prędkości kątowej silników

28 26 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse Układ charakteryzuje się niewielkimi rozmiarami, co powoduje, że jest jednym z najmniejszych magnetycznych czujników obrotu na świecie. Wewnątrz znajduje się procesor wraz z matrycą czujników Halla. Za pomocą specjalnego algorytmu można określić położenie linii sił pola magnetycznego względem owej struktury [2]. Schemat ideowy układu AS5040 przedstawia rysunek Rys Schemat ideowy układu AS5040 [16] Moduł pomiaru kąta obrotu Bardzo ważnym aspektem jest pomiar kąta obrotu, aby móc się dowiedzieć o orientacji robota w labiryncie. Do tego celu zastosowano jednoosiowy analogowy żyroskop LY3200ALH firmy STMicroelectronics wykonany w technologii MEMS. Schemat podłączenia żyroskopu przedstawiono na rys Parametry żyroskopu zostały przedstawione w tabeli 4.4. Podczas pomiarów należy pamiętać że żyroskop zwróci informacje o prędkości kątowej. Do uzyskania kąta obrotu robota, należy sygnał scałkować po czasie. Do wykonania operacji całkowania można wykorzystać jedną z metod całkowania numerycznego, czyli m.in. metodę prostokątów lub metodę trapezów. Tabela 4.4. Parametry żyroskopu LY3200ALH Czułość 0.67mV/ /s Zakres pomiarowy ±2000 /s Liczba pinów 10 Wyjście czujnika MEMS analogowe Napięcie zasilania, maks. 3.6V Napięcie zasilania, min. 2.7V Typ obudowy czujnika LGA

29 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse 27 Rys Schemat modułu pomiaru kąta obrotu Moduł pomiaru poziomu naładowania baterii Robot zasilany jest akumulatorem litowo-polimerowym. Jedną z istotnych wad tego typu zasilania jest to, że napięcie na jednej celi akumulatora nie może spaść poniżej 3V. W tym celu zastosowano układ do pomiaru napięcia zasilania za pomocą przetwornika A/C w mikrokontrolerze. Mikrokontroler mierzy napięcie z przedziału (0-3.3)V, więc dlatego zastosowano dzielnik napięcia. Schemat moduły przedstawia rysunek Dzielnik napięcia powoduje straty energii elektrycznej. Na rezystorach wydzieli się moc która jest odczuwalna w postaci ciepła. Równanie 4.7 przedstawia moc jaka zostanie utracona. Można zauważyć, że im większa wartość rezystancji tym mniejsza strata. Zakładając, że mierzone napięcie ma wartość 7,4V, wyliczona moc start wynosi 10,5mW. P strat = U 2 R (4.7)

30 28 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse Rys Schemat modułu pomiaru poziomu naładowania baterii Moduł sterowania silnikami W skład modułu wchodzi dwukanałowy sterownik silników TB6612FNG. Za pomocą układu tego można sterować kierunkiem, oraz prędkością obrotową silników, jest to tzw. mostek H. (a) Obrót silnika przeciwnie do kierunków zegara (b) Obrót silnika zgodnie do kierunków zegara Rys Schematyczny przykład działania mostka H [17] Nazwa mostek H bierze się z graficznego skojarzenia z litera H. Układ działa na zasadzie odwracania biegunów zasilania. Mostek jest zbudowany z 4 styków (mechaniczne lub półprzewodnikowe). Gdy styki S1, S4 są zamknięte, a S2, S3 otwarte, to silnik zacznie się kręcić, ponieważ będzie doprowadzone do niego napięcie. Natomiast gdy styki S1, S4 są otwarte, a S2, S3 zamknięte, silnik zacznie się kręcić w przeciwnym kierunku. Obrazuje to rysunek TB6612FNG jest podwójnym mostkiem H, co oznacza, że można sterować dwoma silnikami. Układ charakteryzuje miniaturowa obudowa SSOP24, ciągłym prądem wyjściowym 1A na

31 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse 29 kanał oraz maksymalną częstotliwością PWM 100kHz. Za pomocą układu można uzyskać pięć stanów przedstawionych w tabeli 4.5. Tabela 4.5. Możliwe stany silnika IN1.1 IN2.1 PWM1 Wyjście IN2.1 IN2.2 PWM2 silnika 0 1 Wypełnienie PWM Silnik kręci się do tyłu z prędkością adekwatną do wypełnienia 1 0 Wypełnienie PWM Silnik kręci się do przodu z prędkością adekwatną do wypełnienia 0 0 dowolny soft-stop, łagodne hamowanie 1 1 dowolny soft-stop, łagodne hamowanie Hard-stop, gwałtowne hamowanie Moduł sterowania silnikami został podłączony do modułu sterowania w taki sposób aby móc ustawić stany logiczne 0, 1 oraz sygnał PWM generowany przez mikrokontroler. Schemat moduły sterowania silnikami przedstawia rysunek Rys Schemat modułu sterowania silnikami

32 30 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse Moduł komunikacji z otoczeniem Moduł służy do komunikacji z użytkownikiem sygnalizując różne stany robota oraz wysyłając dane z poszczególnych sensorów. Moduł składa się z dwóch przycisków, brzęczka, 3 diod LED oraz z wyprowadzonego portu UART do którego podłączony jest moduł bluetooth. Schemat przedstawia rysunek Rys Schemat modułu komunikacji z otoczeniem Przyciski będą służyć do uruchamiania odpowiedniego trybu pracy robota. Diody natomiast do sygnalizowania stanu robota np. poziomu naładowania baterii. Za pomocą brzęczka będą wygrywane melodyjki dotarcia do mety oraz przejechania pewnej odległości w labiryncie. Interfejs UART będzie służył do wysyłania danych na komputer PC przez bluetooth. Wysłane dane będą wizualizowane za pomocą panelu sterowania (dashborad). Moduł bluetooth składa się m.in z urządzenia firmy Rayson klasy 1, BTM222, charakteryzujący się następującymi parametrami: Napięcie zasilania: 3,0 V do 3,6 V Niski pobór energii, tryb uśpienia Klasa 1 - moc nadajnika maks. 18dBm Zasięg: do 100 m Standard: Bluetooth EDR Profil SPP z możliwością ustawień poprzez komendy AT Komunikacja USB, SPI, UART - PCM Małe wymiary: 28,2 x 15,0 x 2,8 mm Moduł BTM222 działa na napięcie zasilania 3, 3V. Aby mógł bezproblemowo pracować przy napięciu 5V należy zastosować stabilizator napięcia oraz układ 74HCT14 (sześć inwerterów z układem Schmitta). Projekt modułu bluetooth przedstawiają rysunki 4.17 oraz Na rysunku 4.19 został przedstawiony wykonany moduł.

33 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse 31 Rys Schemat modułu bluetooth Rys Projekt modułu bluetooth Rys Wykonanie modułu bluetooth

34 32 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse Projekt płytki elektronicznej robota Rys Schemat płytki elektronicznej robota

35 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse 33 Tabela 4.6. Szczegółowy spis połączeń elementów modułów z mikrokontrolerem Pin Nazwa pinu Funkcja Nazwa pinu w projekcie Moduł pomiaru odległości 10 PC2 Output Dioda IR lewa naprzód 11 PC3 Output Dioda IR lewa diagonalna 24 PC4 Output Dioda IR prawa diagonalna 25 PC5 Output Dioda IR prawa naprzód 14 PA0 ADC123 IN0 Fototranzystor lewy naprzód 15 PA1 ADC123 IN1 Fototranzystor lewy diagonalna 16 PA2 ADC123 IN2 Fototranzystor prawy diagonalna 17 PA3 ADC123 IN3 Fototranzystor prawy naprzód Moduł pomiaru prędkości kątowej 56 PB4 TIM3 CH1 Enkoder silnik lewy A 57 PB5 TIM3 CH2 Enkoder silnik lewy B 58 PB6 TIM4 CH1 Enkoder silnik prawy A 59 PB7 TIM4 CH2 Enkoder silnik prawy B Moduł pomiaru kąta obrotu 21 PA5 ADC12 IN5 Gyro 22 PA6 ADC12 IN6 Vref Moduł pomiaru naładowania poziomu baterii 20 PA4 ADC12 IN4 Bateria Moduł sterowania silnikami 62 PB9 Output AIN1 30 PB11 Output AIN2 35 PB14 TIM1 CH2N PWMA 29 PB10 Output BIN1 33 PB12 Output BIN2 34 PB13 TIM1 CH1N PWMB Moduł komunikacji z otoczeniem 9 PC1 Output Dioda LED 1 8 PC0 Output Dioda LED 2 26 PB0 Output Dioda LED 3 44 PC11 Input Przycisk 1 45 PC12 Input Przycisk 2 55 PB3 TIM2 CH2 Buzzer 42 PA9 USART1 TX UART TX 43 PA10 USART1 RX UART RX

36 34 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse Rys Projekt płytki PCB robota Projekt algorytmu sterowania robota Robot powinien zbierać informacje o otaczającym świecie, przetwarzać je na bieżąco oraz wykonywać odpowiednie ruchy. Cały schemat postępowania został przedstawiony na rysunku Pomiar odleg o ci od cian Pomiar k ta obrotu Przetworzenie danych Przetworzenie danych Aktualna pozycja i orientacja w labiryncie Aktualizacja mapy Wyznaczenie nast pnej pozycji w labiryncie Regulacja po o enia Regulacja pr dko i Sterowanie silnikami Przetworzenie danych Pomiar z enkoderów Rys Diagram działania robota

37 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse 35 Robot będzie realizował wszystkie działania przedstawione na rysunku Na podstawie otrzymanych danych z czujników robot będzie wykonywał następujące zadania: Przetwarzanie danych z pomiaru odległości od ścian Analiza otoczenia pod kątem znajdujących się ścian labiryntu w otoczeniu. Wykonuje to moduł pomiaru odległości od ścian, który przekazuje sygnał analogowy do modułu sterowania. Następnie następuje analiza sygnału i określenie, gdzie znajdują się ściany labiryntu. Przetwarzanie danych z pomiaru kąta obrotu Analogowy sygnał z modułu pomiaru kąta obrotu zostaje przekazany modułowi sterowania. Żyroskop zwraca informacje o prędkości kątowej. Dlatego też sygnał należy scałkować numerycznie, w celu otrzymania aktualnej orientacji robota w labiryncie. Przetwarzanie danych z enkoderów Na postawie sygnałów kwadraturowych z modułu pomiaru prędkości kątowej następuje określenie aktualnej prędkości robota oraz przejechanej przez niego drogi. Aktualizacja pozycji i orientacji w labiryncie Dane sensoryczne z modułów pomiarowych pomagają wyznaczyć aktualną komórkę robota w której się znajduje oraz aktualną orientacje robota w labiryncie. Ponadto umożliwia wyznaczenie, gdzie w labiryncie znajdują się ściany. Aktualizacja mapy Ściany w labiryncie mogą znajdować się tylko w wyznaczonych miejscach. Dzięki tej wiedzy oraz informacji z modułów pomiarowych możliwe jest poprawne umieszczenie przeszkód na mapie labiryntu stworzonej w pamięci robota. Wyznaczenie następnej pozycji w labiryncie Korzystając z stworzonej mapy możliwe jest wyznaczenie optymalnej ścieżki prowadzącej od startu do mety. Do wyznaczenia ścieżki wykorzystywane są algorytmy najkrótszej drogi w grafie. Regulacja położenia Trasę po której porusza się robot można podzielić na odcinki pomiędzy komórkami. Regulacja położenia polega na korygowaniu aktualnej pozycji robota poprzez porównanie jej z wcześniej ustaloną pozycją docelową. Regulacja prędkości Z danych o aktualnej pozycji oraz planowanym położeniu robota w kolejnym ruchu, następuje wyznaczenie prędkości z jaką powinien poruszać się robot. Uwzględniona jest maksymalna prędkość robota, możliwe przyśpieszenia robota oraz czas potrzebny do wyhamowania. Sterowanie silnikami Odpowiedzialny za to zadanie jest moduł sterowania silnikami. Osiąganie odpowiedniej prędkości realizuje się poprzez odpowiednie modulowanie szerokości impulsu PWM podawanego na mostek H sterujący silnikami układu napędowego robota.

38 36 Rozdział 4. Projekt robota typu Micromouse Zestawienie podstawowych parametrów robota Tabela 4.7. Zestawienie parametrów oraz podzespołów zaprojektowanego robota Wymiary 100 mm x 75 mm Waga około 120g Zasilanie Dualsky 150mAh 7,4V Mikroprocesor STM32F103RCT6 Silniki TowerPro MG958 Sterownik silnika TB6612FNG Żyroskop LY3200ALH Enkoder AS5040 Dioda IR SFH4511 Fototranzystor TEFT4300 Rys Zdjęcie robota

39 5. ANALIZA PRZYDATNOŚCI SENSORÓW DO WYKONANIA KONKRETNYCH ZADAŃ Czujniki w zbudowanym robocie powinny zostać podane kalibracji oraz sprawdzeniu poprawności działania w naturalnym środowisku robota, jakim jest labirynt. W tym celu przygotowano kilka testów. Aby robot mógł sprawnie poruszać się po labiryncie powinien wykonywać poprawnie następujące zadania: Poprawne wykrywanie ścian w najbliższym otoczeniu. Do wykonania mapy labiryntu robot znajdując się w każdej komórce sprawdza, czy w jego sąsiedztwie znajdują się ścianki. Robot powinien wiedzieć, czy ścianka przednia jest blisko, czy daleko, czy występują ścianki po bokach oraz ścianki diagonalne (rys. 5.2). Aby wykonać to zadanie zespół czujników do pomiaru odległości powinien zostać podany kalibracji. Następnie w celu eliminacji błędów spowodowanych szumem, otrzymane dane zostaną podane aproksymacji. Ruch prostoliniowy robota po labiryncie. Aby robot poruszał się po linii prostej, obydwa silniki powinny poruszać się z tą samą prędkością kątową. Jeżeli podamy to samo napięcie na obydwa silniki nie otrzymamy zamierzonego efektu. W tym celu należy skonstruować prosty układ automatycznej regulacji. Jako sprzężenie zwrotne o prędkości kątowej silników zostanie wykorzystana informacja z enkoderów. Poprawne wyznaczenie orientacji robota. Do wykonania zadania zostanie wykorzystany żyroskop. Żyroskop zwraca informacje o orientacji w postaci napięcia elektrycznego, dlatego należy go na samym początku skalibrować. Do każdego z wymienionych zadań, zostały zaproponowane schematy postępowania w celu osiągnięcia oczekiwanych efektów. W następnych podrozdziałach zostaną dokładnie przedstawione propozycje przeprowadzenia konkretnych działań ODLEGŁOŚCI ROBOTA OD ŚCIAN Główne założenia testu Cel: Wykreślenie charakterystyki napięcia na fototranzystorze od odległości robota od ścianki w labiryncie. Założenia: Robot znajduje się w labiryncie przy typowym oświetleniu występującym podczas zawodów (sztuczne oświetlenie). Opis testu: Robot znajduje się w labiryncie tuż przy ściance labiryntu. Następnie jest odsuwany od ścianki aż to odległości dwóch komórek labiryntu. Zostanie otrzymana charakterystyka, która zostanie poddana linearyzacji (eliminacja błędów pomiarowych oraz zakłóceń) Dokładny opis testu Robot do wykonania poprawnej mapy labiryntu potrzebuje informacji, czy w jego najbliższym otoczeniu znajdują się ścianki labiryntu. Robot będąc w danej komórce labiryntu musi stwierdzić: czy ścianka naprzeciwko znajduje się daleko, czy blisko, czy znajdują się ścianki

40 38 Rozdział 5. Analiza przydatności sensorów do wykonania konkretnych zadań Rys Schemat przedstawiający wykonywanie testu Odległość robota od ścian labiryntu po przekątnych oraz czy znajdują się ścianki po prawej oraz lewej stronie robota (rys. 5.2). Do wykonania tego zadania należy skalibrować czujniki robota. Doświadczenie jest stosunkowo proste. Rysunek 5.1 przedstawia schemat postępowania wykonywanego testu. Robot zostanie położony w labiryncie. Zostanie włączony pomiar odległości i robot będzie odsuwany od ścianki znajdującej się naprzeciwko niego. Dane pomiarowe będą przesyłane do komputera PC, a następnie przetworzone. Zostanie wykreślona charakterystyka, która zostanie podana aproksymacji w celu eliminacji szumów oraz błędów pomiarowych. Doświadczenie zostanie przeprowadzone kilkukrotnie w celi uśrednienia wyników. Rys Nazwy ścianek w pamięci robota

41 Rozdział 5. Analiza przydatności sensorów do wykonania konkretnych zadań PRZEMIESZCZENIE ROBOTA RUCH PROSTOLINIOWY ROBOTA Opis oraz główne założenia testu Cel: Wysterowanie robota do pokonywania zadanych prostoliniowych odległości. Założenia: Robot znajduje się w labiryncie na którym będzie rywalizował w zawodach. Opis testu: Każda komórka labiryntu ma daną długość. Robot ma za zadanie przejechać zadaną odległość komórek labiryntu. Jeżeli enkodery działają poprawnie, robot powinien bez problemu przejechać zadaną odległość. Rysunek 5.3 schematycznie przedstawia przebieg wykonywanego testu. Robot zostanie położony w jednej z komórek labiryntu i zostanie mu zadane przejechanie kilku komórek labiryntu. Aby wykonać zaplanowany cel będzie trzeba zaimplementować układ automatycznej regulacji. W tym celu zostanie napisany regulator PID. Do wykorzystania układu z pętlą sprzężenia zwrotnego potrzebny jest model obiektu. Sterowanymi obiektami będą silniki. W celu uzyskania transmitancji obiektu zostanie wykonana identyfikacja. W kolejnych podrozdziałach zostanie przedstawiony pomysł identyfikacji oraz wykorzystania modelu do zaprojektowania układu automatycznej regulacji. Rys Schemat przedstawiający wykonywanie testu Przemieszczenie robota Układ automatycznej regulacji Układ regulacji z pętlą sprzężenia zwrotnego pozwala na sterowanie obiektem w taki sposób aby uzyskać wartość zadaną. W tym przypadku wartością zadana będzie droga (liczba impulsów z enkodera) jaką ma przejechać robot. Wej cie uk adu - Regulator PID Model Silników Wyj cie uk adu Rys Układ automatycznej regulacji Na wejście układu zostanie podana odległość do przejechania. Jako sprzężenie zwrotne zostanie wykorzystana informacja z enkoderów. Model silników zostanie wyznaczony za pomocą procesu identyfikacji i będzie reprezentowany w postaci transmitancji Laplace a. Nastawy regulatora PID zostaną wyznaczone za pomocą środowiska MATLAB.

42 40 Rozdział 5. Analiza przydatności sensorów do wykonania konkretnych zadań Identyfikacja silników robota MATLAB posiada System Identification Toolbox, za pomocą którego zostanie wyznaczona transmitancja. Jednym z sposobów identyfikacji jest wyznaczenie transmitancji na podstawie odpowiedzi na skok jednostkowy. Do wyznaczenia transmitancji zostaną przeprowadzone badania. Układ będzie sterowany drogą. W tym celu potrzebna jest odpowiedź skokowa na skok impulsów z enkoderów. W takim przypadku zostanie podany na wejście skok np. ( ) impulsów, a następnie zmierzona zostanie droga, liczba impulsów z enkoderów. Po otrzymaniu odpowiedzi skokowej, za pomocą biblioteki w programie MATLAB zostanie wyznaczona transmitancja obiektu. Na podstawie otrzymanego modelu zostanie zaprojektowany układ automatycznej regulacji i wyznaczone optymalne nastawy regulatora PID ORIENTACJA ROBOTA Główne założenia testu Cel: Sprawdzenie poprawności działania żyroskopu w robocie. Założenia: Robot stoi nieruchomo na ruchomej platformie, która może obracać się tylko wokół osi Z. Opis testu: Robot znajduje się na ruchomej platformie, której obrót jest możliwy za pomocą silnika skokowego. Silnik będzie wykonywał skoki o zadany kąt. W tym czasie będzie odczytywana wartość napięcia z żyroskopu. Następnie zostaną porównane wyniki pomiaru z zadanymi wartościami kątów obrotów. Rys Układ pomiarowy zamodelowany w 3D