Podstawy budowy robotów

Transkrypt

1 Podstawy budowy robotów Kamil Rosiński KoNaR Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

2 Spis treści 1 Przepisy Konkurencja Line Follower Light 2 Budowa robota Istotne szczegóły Zasilanie Mikrokontroler Czujniki Silniki 3 Efekt końcowy Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

3 Przepisy Konkurencja Line Follower Light Regulamin zawodów Robotic Arena (uproszczony): Konstrukcja robota: obrys robota musi mieścić się na kartce A4, robot stojąc na kartce A4 nie może podnieść jej do góry swoimi kołami, robot na trasie musi poruszać się autonomicznie, jedyny kontakt oraz komunikacja z robotem są dozwolone w celu jego włączenia/zatrzymania. Przebieg rozgrywki: robot musi samodzielnie pokonać trasę, trzymając się linii, trasa może być otwarta lub zamknięta, na trasie mogą występować skrzyżowania, które należy przejechać na wprost, na trasie mogą występować zakręty pod kątem prostym. Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

4 Istotne szczegóły Drobiazgi, o których warto pamiętać czyli jak ułatwić sobie pracę: Wyłącznik zasilania Pozwala wyłączyć robota bez konieczności odłączania baterii. LEDy sygnalizacyjne Wskazują prawidłowe podłączenie zasilania, pomagają przy debugowaniu; blink to dobry sposób na sprawdzenie, czy nasz µc programuje się poprawnie. Zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją baterii Unikniemy tantalowej/elektrolitycznej dziury w PCB. Gniazdo programatora Pozwala zmienić program robota po zamontowaniu w nim µc. Przyciski Pozwalają wybierać różne tryby pracy robota. Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

5 Zasilanie Akumulator Li-Pol + Zalety Wysoka gęstość energii: do 200 Wh kg. Wady Cena: kilkadziesiąt złotych. Wymagają specjalistycznych ładowarek. Niewłaściwe użytkowanie grozi zapaleniem się i esplozją: zbyt duże prądy ładowania, zbyt duże prądy rozładowania (zwarcie), rozładowywanie akumulatora poniżej 3 V na celę, próba ładowania akumulatora powyżej dopuszczalnej wartości. Rysunek : Przykładowy akumulator Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

6 Zasilanie Parametry akumulatora Liczba cel: liczba pojedynczych ogniw połączonych szeregowo. Napięcie nominalne: liczba cel 3,7 V, np. 2 cele dają 7,4 V. Pojemność: czas pracy pobierany prąd, np. 500 mah oznacza, że akumulator może dawać 0,5 A przez 1 h, lub 1 A przez 0,5 h. Maksymalny prąd rozładowania: C pojemność, np. 25 C, przy pojemności 500 mah daje 12,5 A. Rysunek : Krzywa rozładowania Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

7 Zasilanie Stabilizatory napięcia (na przykładzie LM1117T-5.0) Stabilizują napięcie rozładowującego się akumulatora. Napięcie wyjściowe: V out, regulowane przez sabilizator. Napięcie wejściowe: V in V out + V drop, np. stabilizator V out = 5 V, V drop = 1 V do prawidłowej pracy potrzebuje V in 6 V. Rysunek : Napięcie drop-out Rysunek : Przykład podłączenia Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

8 Zasilanie Temperatura (LM1117T-5.0) Moc wyjściowa: P out = V out I out Moc wejściowa: P in = V in I out Wydzielone ciepło: P = P in P out = (V in V out ) I out, np. stabilizując 7,5 V do 5 V i pobierając 200 ma, wydzieli się 500 mw. Obliczenia Czy nasz stabilizator to wytrzyma? Maksymalna temperatura złącza w LM1117T wynosi T max = 125 C: A jak tą temperaturę policzyć? Wykorzystamy rezystancję termiczną θ JA : T j = 25 + P θ JA = ,5 92 = 71 C < T max, zatem stabilizator w obudowie TO-252 nie spali się. Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

9 Mikrokontroler Mózg robota Realizuje algorytm sterowania. Odpowiada za współpracę wszystkich układów robota. Wymaga stabilnego zasilania 3,3 V (STM32, Freescale) lub 5 V (AVR): kondensator 100 nf równolegle do każdej nóżki zasilania dławik 10 µh szeregowo przed całym µc (opcjonalnie) Do niego podłączamy: LEDy przyciski czujniki mostki H Rysunek : Podłączenie µc Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

10 Mikrokontroler Parametry diody elektroluminescencyjnej (ang. LED) Jasność świecenia zależy od prądu przez nią płynącego (I d < 20 ma). Spadek napięcia na diodzie jest nieliniową funkcją prądu (V f 2 V). Każda dioda w układzie ma swój rezystor ograniczający prąd: R d = V in V f I d. Rysunek : Spadek napięcia Przykład Diodę zasilamy z 5 V. Zakładamy prąd 5 ma. Odczytujemy spadek napięcia dla założonego prądu: 1,9 V. Oznacza to, iż rezystor musi obniżyć napięcie o 3,1 V, przy prądzie 5 ma. Z prawa Ohma wynika, że: R d = 3,1 = 620 Ω. 0,005 Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

11 Mikrokontroler Podłączanie LEDów Dioda podłączona anodą Dioda podłączona katodą PIN4 LED 0 V OFF 3,3 V ON PIN4 LED 0 V ON 3,3 V OFF Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

12 Mikrokontroler Sterowanie dużym obciążeniem A co, gdy pin µc nie może dać dostatecznie dużo prądu? Tranzystor: Prąd bazy: I B = 3,3 V BE R B, V BE = 0,7 V Maksymalny prąd kolektora: I Cmax = 5 V F V CE R C, V CE = 0,1 V Prąd kolektora: I C = min {β I B, I Cmax }, β 300 wzmocnienie tranzystora (hfe). Rysunek : BC547 jako przełącznik Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

13 Mikrokontroler Podłączanie przycisków Przycisk z rezystorem pull-up Przycisk z rezystorem pull-down przycisk zwarty rozwarty PIN4 0 V 3,3 V przycisk zwarty rozwarty PIN4 3,3 V 0 V Rezystory pull-up oraz pull-down mogą być włączone wewnętrznie w µc. Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

14 Czujniki Podłączanie czujników linii (CNY70) Czujnik odbiciowy to LED (nadajnik) oraz fototranzystor (odbiornik), czyli przycisk sterowany światłem. Nadajnik podłączamy jak zwykłego LEDa, na stałe do zasilania lub do pinu wyjściowego µc. Odbiornik podłączamy jak przycisk, np. do przetwornika A-C. Rysunek : Przykładowe podłączenie CNY70 Rysunek : Parametry nadajnika CNY70 Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

15 Silniki Napęd, Pololu HP Zasilanie: najwygodniej prosto z baterii. Sterowanie: przy użyciu PWM, przez mostek H, np. L293D, kontrolowany z µc. Pamiętajmy o diodach! Rysunek : Mostek H z diodami Rysunek : Parametry L293D Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

16 Efekt końcowy Autko Rysunek : Najwolniejszy LF na RA2014 ;) Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

17 Efekt końcowy Autko Rysunek : Czujniki CNY70 Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18

18 Efekt końcowy :) Powodzenia! Kamil Rosiński (KoNaR) Podstawy budowy robotów / 18