Łukasz Bajda IV rok Koło Naukowe Techniki Cyfrowej dr inŝ. Wojciech Mysiński opiekun naukowy LOGIC, SENSORS AND THE DRIVE OF THE AUTONOMOUS SUMO ROBOT LOGIKA, SENSORY I UKŁADY WYKONAWCZE AUTONOMICZNEGO ROBOTA SUMO Keywords: sumo, robot, autonomous, logic Słowa kluczowe: sumo, robot, autonomiczny, logika The article presents the issues connected with logic, sensors and the drive of the autonomous robots adapted to robot sumo fights. It also describes the sensors used in the robot, its electronic systems responsible for converting sensor sygnals,as well as the power supply and rotary speed control system of engines. 1. Czym są zawody SUMO? Zawody sumo odbywają się co roku na Politechnice Poznańskiej, cała zabawa polega na walce dwóch robotów o maksymalnej masie 3kg, maksymalnych wymiarach 20x20cm, roboty nie są ograniczane gabarytowo w górę, ich wysokość moŝe być dowolna, szerokość i długość robotą równieŝ moŝe się zmieniać,lecz dopiero po starcie robotów. Zawodnicy ustawiają swoje roboty na ringu naprzeciw siebie przy brązowych liniach, I na sygnał osoby prowadzącej uruchamiają roboty, start robota ma nastąpić 5 sekund po włączeniu go przez właściciela. Roboty są w pełni autonomiczne i kaŝdy z nich ma za zadanie wypchnięcie z ringu przeciwnika, ring ma średnice 154cm, po zewnętrznej stronie ringu umieszczona jest Biała obwódka, dzięki której robot jest w stanie stwierdzić,ŝe to juŝ krawędź ringu i nie moŝe jej przekroczyć bo to jest równoznaczne z przegraną. Roboty wyraźnie unikające walki, nie wykonujące Ŝadnych ruchów przez dłuŝszy czas są dyskwalifikowane. Rys.1 Walka robotów sumo
W zawodach niestety nie moŝna zakłócać pracy robota przeciwnika, niszczyć powierzchni ringu (która jest wykonana z gumy), nie wolno uŝywać Ŝadnych płynów, ognia, i innych drastycznych rzeczy. Jedyna droga prowadząca do zwycięstwa to wypchnięcie przeciwnika poza białą linie poza ring. Opisywany poniŝej robot H5 zajął drugie miejsce na zawodach SUMO w roku 2006. 2. Charakterystyka robota Robot zasilany jest akumulatorem Ŝelowym 6V 5Ah, w pełni naładowany akumulator pozwala na działanie robota przez czas około godziny, robot posiada 10 czujników odbiciowych podczerwieni informujących go o obecności przeszkody (przeciwnika) rozmieszczonych na około robota dzięki czemu widzi cel będący równieŝ za nim. Kolejna rzeczą jest detekcja krawędzi ringu, do tego celu słuŝy 12 czujników podczerwieni, równieŝ odbiciowych lecz inaczej wykonanych i mających zdecydowanie mniejszy zasięg od czujników dalekiego zasięgu wykrywających przeciwnika. Oprócz powyŝszych sensorów podczerwieni w robocie zamontowane są akcelerometry wykrywające wszelkie kolizje, oraz kamerka z laserowej myszki optycznej, działająca jako czujnik przemieszczeń. 3. Logika robota Całą prace robota kontrolują dwa procesory mózgiem jest procesor Atmega128, zaś drugi procesor Atmega16 kontroluje prace silników, komunikacja miedzy procesorami odbywa się za pośrednictwem magistrali SPI. Rys.2 Widok płytki drukowanej mózgu robota
Rys.3 Widok płytki drukowanej drivera silników robota Jak widać płytka mózgu wykonana jest jako przewlekana, z moŝliwością łatwej wymiany procesora Atmega128, jest on umieszczony na specjalnej płytce posiadającej piny, która wsuwana jest w gniazdo na płytce drukowanej, w razie awarii wymiana nie stanowi problemu, kontrolera silników wykonana jest w większości przy uŝyciu elementów powierzchniowych, w górnej części płytki wyraźnie widać mostki H sterujące silnikami, umieszczone są tu jeszcze drivery sterujące bramkami mosfetów, przetwornica podbijająca napięcie z 6V na 12V, umoŝliwiająca poprawna prace samych driverów. Są teŝ przetworniki f/u uŝywane do pomiaru prędkości obrotowej silników. 4. Czujniki zbliŝeniowe SłuŜą one jak to juŝ zostało napisane do wykrycia obecności przeciwnika i umoŝliwiają w miarę dokładną jego lokalizacje. Wykonane są jako układ nadajnik-odbiornik, gdzie funkcje nadajnika spełniają dwie diody nadawcze podczerwieni sterowane częstotliwością 30kHz, funkcję odbiornika pełnią scalone odbiorniki podczerwieni TSOP1730, uŝywane powszechnie w sprzęcie RTV, jako odbiorniki sygnału pilota zdalnego sterowania, posiadają bardzo duŝą czułość, wbudowany optyczny filtr podczerwieni dzięki czemu nie są wraŝliwe na światło widzialne, posiadają układ automatycznej regulacji wzmocnienia i demodulator, dzięki czemu reagują tylko na wiązkę światła podczerwonego modulowaną częstotliwością 30kHz. Odbiorniki cechuje dosyć duŝy kąt widzenia spadek czułości o połowę następuje przy odchyleniu wiązki padającej o kąt 45 stopni. Rys.4 Obudowy odbiornika TSOP1730 i jego schemat blokowy
Rys.5 Rozmieszczenie czujników zbliŝeniowych w korpusie robota Na powyŝszej fotografii widać dwa układy czujników, umieszczone na przedniej ściance robota, na diody nadawcze załoŝone są koszulki termokurczliwe, dzięki czemu ograniczamy ich kąt świecenia. Wykrywanie obecności przeciwnika polega na cyklicznym zapalaniu na przemian diody po jednej i drugiej stronie odbiornika i sprawdzaniu stanu odbiornika, jeśli po wysłaniu paczki impulsów diodą umieszczoną z prawej strony odbiornika procesor stwierdzi odebranie sygnału przez odbiornik, świadczy to jednoznacznie o tym Ŝe przeciwnik jest gdzieś w polu oświetlonym diodą prawą, czułość układu nadajnik-odbiornik regulowana jest za pomocą prądu płynącego przez diody nadawcze, do sterowania sekwencja zapalania diod nadawczych uŝyliśmy układu PLD Gal 22V10 Rys.6 Schemat czujników zbliŝeniowych Układ GAL22V10 spełnia tu rolę enkodera kodu binarnego na kod 1z10, umoŝliwia równieŝ modulacje aktualnie aktywnego wyjścia częstotliwością podana na wejście CLK.
5. Czujniki linii Jako czujniki wykrywające białą krawędź ringu zastosowaliśmy równieŝ czujniki odbiciowe, są to gotowe elementy SG-2BC, zawierające w małej obudowie diodę nadawczą podczerwieni i fototranzystor. Rys.7 Wygląd zewnętrzny czujnika SG-2BC, oraz schemat wewnętrzny i opis wyprowadzeń Czujników linii jest 12, rozmieszczone po 3 w kaŝdym z naroŝy podstawy robota czułość kaŝdego z nich regulowana jest osobno tak jak w czujnikach dalekiego zasięgu za pomocą regulacji prądu diody nadawczej. Diody nadawcze świeca cały czas, sprawdzany jest tylko stan części odbiorczej sensora, sygnał z kolektora fototranzystora podciągniętego do plusa zasilania przez potencjometr jest filtrowany przez przerzutnik Schmidta, zawarty w jednym z sześciu inwerterów z układu scalonego CD40106, następnie zanegowany trafia do procesora. Rys.8 Rozmieszczenie czujników linii w podwoziu robota, widok tylko na połowę podstawy robota.
Rys.9 Schemat czujników linii 6. Napęd robota Do napędu uŝyliśmy dwóch silników od tanich wkrętarek akumulatorowych, posiadają one dwustopniową przekładnie planetarną co zapewnia im spory moment obrotowy, ich napięcie pracy to 2,4V w robocie pracują nawet przy 6V zaleŝy od współczynnika wypełnienia sygnału PWM. Na wale kaŝdego z silników umieszczona jest tarcza z promieniście umieszczonymi wąskimi otworkami, zostały one wyciągnięte z zwykłej myszki komputerowej, szczeliny te przesuwają się pomiędzy zespołem dioda nadawcza podczerwieni fototranzystor. Rys.10 Widok silnika i zamontowanego na nim enkodera
Częstotliwość impulsów z kolektora fototranzystora reprezentują prędkość obrotową wału silnika, ze względu na brak wolnych timerów w procesorze, sygnały będące reprezentacją prędkości obrotowej są podawane na przetwornik częstotliwość/napięcie zrealizowany na układzie LM2907. Rys.11 Schemat przetwornika f/u Na wyjściu przetwornika f/u dostajemy napięcie proporcjonalne do obrotów silnika, napięcie to podawane jest poprzez dzielnik na wejście przetwornika A/C wbudowanego w procesor Atmega16.Zasilanie silnika odbywa się za pośrednictwem mostka H złoŝonego z czterech tranzystorów MOSFET, te z kolei sterowane są za pomocą specjalnych driverów zapewniających odpowiednio szybkie przeładowanie pojemności bramki, dbają o czas martwy chroniący układ przed chwilowymi szpilkami prądu w momencie przełączania tranzystorów, generują takŝe wyŝsze napięcie potrzebne do pełnego spolaryzowania bramki górnego tranzystora w mostku H Rys.12 Schemat mostków H zasilających silnik 7. Czujniki przyspieszenia i laserowy czujnik przemieszczeń Czujnik przyspieszenia umieszczony na podwoziu daje nam informacje o przyspieszeniach robota w osiach X-Y, sygnały z przetworników trafiają do przetworników A/C procesora, po przetworzeniu otrzymujemy dane o kierunkach zwrotach i wartościach przyspieszeń działających na robota, daje nam to informacje o tym czy robot został zaatakowany i z jakiego kierunku.
Rys.13 Płytka akcelerometrów i czujnika przemieszczeń, kółkiem zaznaczony jest akcelerometr. Laserowy czujnik przemieszczeń umoŝliwia nam śledzenie przesunięć robota w płaszczyźnie ringu, naleŝy pamiętać, Ŝe praca silników i niezerowe sygnały prędkości z enkoderów nie świadczą jednoznacznie o tym Ŝe robot się nie porusza, w przypadku kolizji i spychania naszego robota z ringu przez przeciwnika czujnik przemieszczeń daje nam informacje na podstawie których podejmowana jest decyzja o ucieczce od robota przeciwnika. Komunikacja z nim odbywa się za pośrednictwem magistrali SPI. Rys.14 Widok czujnika przemieszczeń z góry L i t e r a t u r a [1] Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Układy półprzewodnikowe. Z niem. przeł. Adam Błaszkowski, [wyd.3], Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa 1996. [2] P.Horowitz, W.Hill: Sztuka elektroniki. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2001. [3] M.Nadachowski, Z.Kulka: Analogowe układy scalone. Wydawnictwa Komunikacji Łączności, Warszawa 1983. [4] Piotr Misiurewicz, Marek Grzybek: Półprzewodnikowe układy analogowe TTL. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Warszawa 1982. [5] Bogdan Moeschke, Grzegorz Płoszajski: Elektronika. Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Warszawa 1988. [6] Piotr Ratajczyk: Angielsko-Polski Słownik Specjalistyczny Elektronika. Wydawnictwo Kanion.