Модель робота, следующего по линии

1.Введение

Я увлекаюсь робототехникой и занимаюсь ей уже полтора года. Робототехника, это прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем. Она опирается на такие дисциплины, как электроника, механика, информатика, а также радиотехника и электротехника. Обычно все новички в этой интересной науке начинают с наборов LEGO Mindstorms. В этих наборах уже даны готовые основные элементы, не требующие спайки и легкие в использовании, удобная среда программирования, позволяющая быстро собрать и запрограммировать робота, используя визуальную среду программирования Lego Mindstorm NXT, в которой запрограммировать робота, может даже человек, незнакомый с языками программирования. Я начинал именно с такого. Это отличный набор, позволяющий изучить основы робототехники, программирования. Несмотря на простоту использования, с помощью этих наборов можно собрать очень сложных роботов, решающих сложные математические задачи. Например, из данного набора собран самый быстрый в мире робот собирающий кубик Рубика 3 X 3 за 4 секунды (Cubestormer II), в котором программа, взаимодействующая с датчиками и двигателями, вращающими кубик, выполняется на телефоне Samsung Galaxy S.

При работе с наборами Lego, содержимое модулей скрыто от нас пластиковой оболочкой. Для того чтобы лучше понять как устроены элементы робота, можно использовать платформу Arduino, при работе с которой нужно глубже понимать как работает робот на уровне “железа”, дает больше гибкости при использовании составных элементов робота. Также, в настоящей робототехнике используются более сложные языки программирования, чем в LEGO Mindstorms, которые дают больше гибкости при программировании роботов и более высокую скорость выполнения программ, что дает большую скорость реакции робота на данные, получаемые с датчиков. Именно поэтому я решил выяснить, возможно ли самому в домашних условиях собрать настоящего действующего робота, не используя LEGO Mindstorms.

Часть 1. Сборка.

2. С чего начать?

Я начал сборку робота с планировки месторасположения его составляющих на платформе. Робот получился двухэтажный. На нижнем ярусе я расположил мотор-редукторы и отсеки с батареями (общее напряжение 9 вольт). Я использовал пластиковые трубочки-стойки для крепления второго яруса. На нем располагались микроконтроллер Arduino UNO и жидкокристаллический дисплей. На микроконтроллер Arduino я установил драйвер управления моторами. Я воспользовался им, так, как моторы потребляют ток, с которым мой микроконтроллер не смог бы обрабатывать, и просто-напросто бы сгорел. В нижней части робота, со стороны колес установлен цифровой датчик линии Pololu QTR-8RC состоящий из 6 отдельных датчиков.

План месторасположения компонентов на моём роботе

3. Arduino UNO

Теперь несколько слов о самой платформе Arduino Uno. Arduino — это открытая платформа, которая позволяет собирать всевозможные электронные устройства. Платформа состоит из аппаратной и программной частей; обе чрезвычайно гибки и просты в использовании. Для программирования используется упрощенная версия языка С++. Разработку можно вести как с использованием бесплатной среды Arduino IDE, так и с помощью другого инструментария. “Мозгом” аппаратной части является микропроцессор ATmega328 работающий на частоте 16 MГц. Платформа имеет 14 цифровых входов/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы широтно-импульсной модуляции), 6 аналоговых входов (в моем проекте не используются). На плате установлен разъем USB, через который платформу можно подключить к компьютеру и осуществлять программирование платформы, разъем для подключения питания (7 – 12 Вольт), разъёмы выхода стабилизированного напряжения 5В, 3,3В и кнопку перезагрузки. Также имеется 2 кб оперативной памяти, которые используются для хранения временных данных вроде переменных программы. Эта память очищается при обесточивании. Ещё имеется 1 кб памяти для долговременного хранения данных. По своему назначению это аналог жёсткого диска для Arduino.

4. Подключение компонентов к портам.

После распланировки места для «внутренностей» робота требовалось подключить их к плате Arduino. На плате 14 входов. Датчики требуют 6 портов, моторы 4, а дисплей 6. В сумме 16. 14<16. А вот и первая проблема. Но на просторах интернет нашлось решение. Для уменьшения количества выводов при управлении цифровыми устройствами можно использовать сдвиговый регистр на микросхеме 74HC595. Чип преобразовывает входящий последовательный сигнал на 1 пине (Ds) в выходной параллельный на 8 пинах (Qx). Последовательная передача синхронна: для такта используется дополнительный пин (SHcp). Также отдельным пином управляется регистр данных (STcp), что позволяет изменять сигнал на 8 выходах единовременно, когда все данные переданы.

Принципиальная схема подключения сдвигового регистра:

Для решения данной задачи потребовалось самому сделать печатную плату для крепления элементов схемы. Этим я и занялся. До этого я и не представлял, насколько это увлекательный процесс. Для начала надо выпилить основу из фольгированного стеклотекстолита. На основе нарисовать дорожки маркером. На будущих местах расположения радиоэлементов просверлить отверстия. Окунуть получившуюся заготовку в раствор хлорного железа на 15-20 минут. За это время фольга растворится на открытых участках и останется только на тех местах, где мы провели маркером. Оставшуюся фольгу надо залудить и в просверленные отверстия впаять радиоэлементы. Эти полоски фольги выполняют роль проводников электричества при соединении элементов схемы. Ну, вот и готова наша плата. Вот её фотография в готовом виде:

Теперь благодаря этой микросхеме для дисплея требуется всего лишь 3 порта. Подсоединяем провода к плате Arduino. Вот что получилось:

Вид снизу робота на датчик линии. Этот датчик имеет 6 пар инфракрасный светодиод/фототранзистор.

Теперь осталось собрать второй ярус робота. Он будет держаться на специальных стойках. Вот и все. Робот собран.

Часть 2. Программирование.

В программе используется пропорционально дифференциальный алгоритм управления скоростью моторов, при котором скорость вращения одного из моторов увеличивается и другого уменьшается в зависимости от величины смещения линии относительно центра датчика. Этим поддерживается плавное движение робота по трассе.

а) Алгоритм работы робота:

б) Текст программы, управляющей движением робота, представлен ниже:

#include <ShiftLCD.h> // подключение библиотеки для работы с дисплеем при помощи сдвигового регистра

#include <QTRSensors.h> // подключение библиотеки для работы с световыми сенсорами

// Коэффициенты KP и KD подбираются опытным путем, т.о. что бы обеспечить стабильность и плавность движения робота.

#define KP .2

#define KD 50

#define M1_DEFAULT_SPEED 255

#define M2_DEFAULT_SPEED 255

#define M1_MAX_SPEED 255

#define M2_MAX_SPEED 255

#define MIDDLE_SENSOR QTR_NO_MIDDLE_SENSOR

#define NUM_SENSORS 6 // number of sensors used

#define TIMEOUT 2500 // waits for 2500 us for sensor outputs to go low

#define EMITTER_PIN QTR_NO_EMITTER_PIN // emitter is controlled by digital pin 2

#define DEBUG 0 // set to 1 if serial debug output needed

ShiftLCD lcd(2, 0, 1);

QTRSensorsRC qtrrc((unsigned char[]) {8,9,10,11,12,13} ,NUM_SENSORS, TIMEOUT, EMITTER_PIN);

unsigned int sensorValues[NUM_SENSORS];

void setup()

{

lcd.begin(16, 2);

lcd.setCursor(0,0);

lcd.clear();

lcd.print("Artem's");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("-=RoBoT=-");

if (DEBUG) {

delay(1000);

manual_calibration();

}

load_calibration();

}

int lastError = 0;

int last_proportional = 0;

int integral = 0;

// Порты для подключения двигателей

int E1 = 5;

int M1 = 4;

int E2 = 6;

int M2 = 7;

void loop()

{

unsigned int sensors[6];

// Управление моторами c использованием пропорционально интегрального (PI) способа управления.

int position = qtrrc.readLine(sensors);

int error = position - 2500;

int motorSpeed = KP * error + KD * (error - lastError);

lastError = error;

int leftMotorSpeed = M1_DEFAULT_SPEED + motorSpeed;

int rightMotorSpeed = M2_DEFAULT_SPEED - motorSpeed;

// установить новую скорость левого и правтого мотора

set_motors(leftMotorSpeed, rightMotorSpeed);

}

void set_motors(int motor1speed, int motor2speed)

{

if (motor1speed > M1_MAX_SPEED ) motor1speed = M1_MAX_SPEED; // Ораничение максимальной скорости

if (motor2speed > M2_MAX_SPEED ) motor2speed = M2_MAX_SPEED; // Ораничение максимальной скорости

if (motor1speed < 0) motor1speed = 0; // Проверка скорости на отрицательное значение

if (motor2speed < 0) motor2speed = 0; // Проверка скорости на отрицательное значение

digitalWrite(M1,HIGH);

digitalWrite(M2, HIGH);

analogWrite(E1, motor1speed); //Управление скоростью моторов с помощью широтно импульсной модуляции

analogWrite(E2, motor2speed); //Управление скоростью моторов с помощью широтно импульсной модуляции

}

void load_calibration() {

qtrrc.calibrate(QTR_EMITTERS_ON);

// Присваиваем данные по датчикам, полученные при калибровке

qtrrc.calibratedMinimumOn[0] = 172;

qtrrc.calibratedMinimumOn[1] = 128;

qtrrc.calibratedMinimumOn[2] = 208;

qtrrc.calibratedMinimumOn[3] = 292;

qtrrc.calibratedMinimumOn[4] = 288;

qtrrc.calibratedMinimumOn[5] = 336;

qtrrc.calibratedMaximumOn[0] = 1200;

qtrrc.calibratedMaximumOn[1] = 872;

qtrrc.calibratedMaximumOn[2] = 1150;

qtrrc.calibratedMaximumOn[3] = 1520;

qtrrc.calibratedMaximumOn[4] = 1460;

qtrrc.calibratedMaximumOn[5] = 1760;

}

void manual_calibration() {

// Калибровка датчиков. Робот вращается в разные стороны,

// в это время происходит считывание максимальных и минимальных значений для калибровки.

digitalWrite(M1,LOW);

digitalWrite(M2, HIGH);

//Управление скоростью моторов с помощью широтно импульсной модуляции

analogWrite(E1, 255);

analogWrite(E2, 255);

int i;

for (i = 0; i < 250; i++)

{

qtrrc.calibrate(QTR_EMITTERS_ON);

delay(20);

if (i == 100){

digitalWrite(M1,HIGH);

digitalWrite(M2, LOW);

//Управление скоростью моторов с помощью широтно импульсной модуляции

analogWrite(E1, 0);

analogWrite(E2, 0);

}

if (i == 125){

digitalWrite(M1,HIGH);

digitalWrite(M2, LOW);

//Управление скоростью моторов с помощью широтно импульсной модуляции

analogWrite(E1, 255);

analogWrite(E2, 255);

}

if (DEBUG) { // В режиме отладки данные можно посмотреть в среде разработки

Serial.begin(9600);

for (int i = 0; i < NUM_SENSORS; i++)

{

Serial.print(qtrrc.calibratedMinimumOn[i]);

Serial.print(' ');

}

Serial.println();

for (int i = 0; i < NUM_SENSORS; i++)

{

Serial.print(qtrrc.calibratedMaximumOn[i]);

Serial.print(' ');

}

Serial.println();

}

//Управление скоростью моторов с помощью широтно импульсной модуляции

analogWrite(E1, 0);

analogWrite(E2, 0);

}

в) Калибровка датчиков:

Датчики линии перед началом работы необходимо откалибровать. Для этого программу переключаем в режим отладки (#define DEBUG 1) , помещаем робота на линию, включаем. Робот будет вращаться, датчики будут перемещаться над черно- белой поверхностью и через окно монитора порта (Ctrl+Shift+M в среде разработки) после завершения калибровки мы сможем посмотреть максимальные и минимальные значения, которые означают, как датчик воспринимает черный и белый цвет поверхности, над которой он расположен. Эти значения прописываем в программе.