ДонНТУ   Портал магистров

Сухов Александр Александрович

Электротехнический факультет

Кафедра Электропривод и автоматизация промышленных установок

Специальность Электромеханические системы автоматизации и электропривод

Обоснование структуры и исследование микропроцессорной системы управления мобильного робота

Научный руководитель: доц., к.т.н., Мирошник Денис Николаевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Мобильный робот. Классификация мобильных роботов
• 4. Выбор аппаратной части
• 4.1 L298 Dual H-Bridge драйвер
• 4.2 Стабилизатор напряжения LM7805
• 4.3 Стабилизатор напряжения LF33cv
• 4.4 Bluetooth-модуль HC-05
• 4.5 Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04
• 4.6 Цифровой датчик линии TCRT5000
• 5. Экспериментальная платформа мобильного робота
• 6. Организация питания мобильного робота
• Выводы
• Список источников

Введение

Каждый год на рынке робототехники прокручивается 5-6 миллиардов долларов, и эта цифра постоянно растет. Видимо, век накопления знаний и теоретической науки сменяется новой эпохой – когда всевозможные роботы и механизмы заполняют мир. По последним данным, сегодня в мире работают 1,8 млн. самых различных роботов – промышленных, домашних, роботов-игрушек. Что же такое робот?

Робот – это электромеханическое, пневматическое, гидравлическое устройство, программа, либо их комбинация, работающая без участия человека и выполняющие действия, обычно осуществляемые человеком. Другими словами робот – это автоматическое устройство, имитирующее движения и действия человека. Робот построен по компьютерной технологии, сознание робота – это вычислительная машина, с которой информация может быть считана и перенесена на отдельный носитель. Робот не лечится, а ремонтируется путем ввода соответствующих диагностических программ.

У робота отсутствует ассоциативное мышление. У него отсутствует любопытство – есть лишь программа по накоплению информации, которая ему необходима. Робот все понимает умом, душевные качества ему не присущи – все-таки он не имеет души.

Однако сегодня у специалистов в области робототехники возникают примерно те же трудности, что и 30 лет назад у разработчиков ЭВМ. Из-за отсутствия общих стандартов и платформ создателям роботов приходится начинать разработку каждого нового творения практически с нуля [1].

1. Актуальность темы

В последнее время все большую актуальность стали приобретать процессы автоматизации всего технического оборудования, применяемого в станках, машинах и механизмах, робототехнических комплексах. Благодаря внедрению в производство новых технологий, существенно повышается производительность труда, причем доля ручного труда по сравнению с автоматизированным значительно уменьшается. Повышается технический уровень выпускаемой продукции, существенно улучшается ее качество. Все это, наверное, невозможно было бы осуществить без микропроцессорных вычислительных средств. Приборы, которые выполнены с применением микропроцессоров, имеют более высокие показатели в работе по сравнению с приборами, выполненными на отдельных логических схемах, причем стоимость первых значительно меньше.

2. Цель и задачи исследования

Целью магистерской работы является создание структуры мобильного робота и исследование системы управления мобильного робота.

Основные задачи исследования:

1. Составление схемы управления мобильным роботом;
2. Выбор микроконтроллера;
3. Выбор аппаратной части робота;
4. Анализ полученных результатов.

3. Мобильный робот. Классификация мобильных роботов

Мобильный робот – автономная система, существующая в физическом мире, не имеет фиксированного места расположения, может ощущать свое окружение и может воздействовать на него, чтобы достичь каких-то целей.

В современной робототехнике роботы определяются как класс технических систем, которые в своих действиях воспроизводят двигательные и интеллектуальные функции человека. От обычной автоматической системы робот отличается многоцелевым назначением, большой универсальностью, возможностью перестройки на выполнение разнообразных функций.

Роботы можно классифицировать по:

• областям применения – производственные (промышленные), военные (боевые, обеспечивающие), исследовательские, медицинские;
• среде обитания (эксплуатации) – наземные, подземные, надводные, подводные, воздушные, космические;
• степени подвижности – стационарные, мобильные;
• типу системы управления – программные, адаптивные, интеллектуальные;
• функциональному назначению – манипуляционные, транспортные, информационные, комбинированные;
• уровню универсальности – специальные, специализированные, универсальные.

Также роботы классифицируются по конструктивным признакам:

• типу исполнительных приводов – электрические, гидравлические, пневматические;
• типу движителя – гусеничные, колесные, колесно-гусеничные, полугусеничные, шагающие, колесно-шагающие, роторные, с петлевым, винтовым, водометным и реактивным движителями;
• конструктивным особенностям технологического оборудования – по числу манипуляторов, по грузоподъемности манипуляторов, по системе координат рабочей зоны (линейная, угловая);
• типу источников первичных управляющих сигналов – электрические, биоэлектрические, акустические [2].

4. Выбор аппаратной части

В качестве обьекта управления в данной работе выступает разработанный мобильный робот #WallEPro. Робот состоит из следующих датчиков и модулей: ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04, Bluetooth-модуль HC-05, цифровой датчик линии TCRT5000, цифровой гироскоп GY-50 L3G4200D, ультразвуковой сенсор Sonar-EZ1, L298 Dual H-Bridge драйвер, стабилизаторы напряжения LF33cv и 7805.

4.1 L298 Dual H-Bridge драйвер

L298n представляет собой двойной мостовой драйвер для управления двунаправленными нагрузками с токами до 2А и напряжением от 4.5 В до 46 В. Микросхема разработана для управления реле, соленоидами, двигателями постоянного тока и шаговыми двигателями. L298n имеет TTL совместимые входы. В L298n существует разделение электропитания для логической схемы и для нагрузки, что позволяет подключить нагрузку с меньшим или большим напряжением питания, чем у микросхемы, а также уменьшает помехи.

Микросхемы L298n имеют встроенную защиту от перегрева. Выходы микросхемы отключаются при нагреве до температуры около +70°С [3].

На основе datasheet к L298n была спроектирована и сделана плата драйвера. Сделаны датчики тока на одной и на другой стороне моста драйвера. На плате установлена светодиодная индикация, которая показывает направление движения двигателя.

4.2 Стабилизатор напряжения LM7805

Классический параметрический стабилизатор напряжения 5В LM7805 в корпусе ТО-220. Проверенный временем и миллионами любительских и профессиональных конструкций, стабилизатор незаменим в конструкциях, для которых важна не только стабильность напряжения, но и минимальный уровень шумов напряжения питания. Простое подключение и минимальное количество дополнительных внешних компонентов.

Для стабильной работы стабилизатора необходимо установить на входе и выходе по керамическому и электролитическому конденсатору емкостью 0,1 мкФ и 100 мкФ на напряжение не ниже напряжения соответствующей цепи.

Характеристики стабилизатора:

• Входное напряжение: от 7В до 25В;
• Выходное напряжение: 5В;
• Максимальный выходной ток: 1,5А;
• Корпус: ТО-220.

После определенных тестов данного стабилизатора возникла необходимость повысить ток. Подключив два таких стабилизатора в параллель, мы получили в два раза больше выходного тока [4].

4.3 Стабилизатор напряжения LF33cv

Стабилизатор напряжения с фиксированным выходом 3.3В. Отличается высокой стабильностью и высоким выходным током в 800 мА.

Характеристики:

• Выходное напряжение: 3.3В;
• Выходной ток: 500 мА;
• Максимальное входное напряжение: 16В;
• Падение напряжения: 1В (входное не может быть ниже чем 3.3 + 1 = 4.3В)
• Встроенная токовая и температурная защита;
• Корпус: TO-220;
• Производитель: STMicroelectronics

После определенных тестов данного стабилизатора возникла необходимость повысить ток. Подключив два таких стабилизатора в параллель, мы получили в два раза больше выходного тока [8].

4.4 Bluetooth-модуль HC-05

Bluetooth уже давно и прочно вошёл в нашу жизнь в качестве удобного протокола связи различных устройств: мобильных телефонов, ноутбуков, КПК, гарнитур, мышей, клавиатур… Список можно ещё долго продолжать. Обычно эту технологию интегрируют в свои продукты крупные производители электроники в виде малюсенькой микросхемы в корпусе BGA или QFN. А как быть нам, простому электронному люду, не владеющими тёмными силами создания 4-слойных плат и кунг-фу микромонтажа? Для этого есть Bluetooth-модуль HC-05 от наших китайских собратьев [5].

4.5 Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04

Используя ультразвуковые волны, он измеряет расстояние до объекта или просто обнаруживает препятствие на пути движения подвижной конструкции. На плате модуля размещены пьезо-излучатель ультразвука и воспринимающий отраженную волну микрофон. В отличие от инфракрасных дальномеров, на ультразвуковой датчик HC-SR04 не влияют источники света или цвет препятствия. Могут возникнуть затруднения при определении расстояния до пушистых или тонких объектов. Обращаем внимание, что скорость звука в воздухе зависит от температуры. Это влияет на точность датчика. Типичными областями применения являются парковочные датчики, контроллеры уровня, устройства мониторинга местности и другие [6].

4.6 Цифровой датчик линии TCRT5000

Цифровой датчик линии позволяет определять цвет поверхности около него. Выходом является простой бинарный цифровой сигнал: логический 0 или 1 в зависимости от цвета, который он видит перед собой. Единица – чёрный или пустота, ноль – не чёрный [7].

5. Экспериментальная платформа мобильного робота

Основой разрабатываемого робота является отладочная платаSTM32F4. На первом уровне робота, показанного на рисунке 12, расположены двигатели постоянного тока, два драйвера для управления двигателями, Bluetooth-модуль HC-05, цифровые датчики линии TCRT5000, платы преобразования сигнала, ультразвуковые датчики приближения HC-SR04, стабилизаторы напряжения LF33cv и LM7805, гироскоп. На втором уровне, показанном на рисунке 13, находиться сама отладочная плата STM32F4, а также питание робота. Драйвера были сделаны собственноручно на основе микросхемы подобии драйверов L298N. Автономное питание осуществляется с помощью литий-ионных батарей взятых с ноутбука. Для безопасной работы литий-ионных аккумуляторов в виду их взрывоопасности предусмотрены предохранители. В дальнейшем планируется замена корпуса робота и создание нового на 3Dпринтере.

6. Организация питания мобильного робота

Питание мобильного робота осуществляют аккумуляторные батареи, которые были взяты из уже использованных аккумуляторов ноутбуков, а так же сделана резервная батарея из использованных аккумуляторов IPhone.

В последнее время li-ion набирает популярность, так как обеспечивает необходимое напряжение и емкость. По форме она напоминает пальчиковые AA и мизинчиковые AAA батарейки. Напряжение на выходе – 3,7V. Типовая емкость: 2200-3000 мАч. У батарей AA и AAA напряжение 1,5V (у аккумуляторов AA и AAA – 1,2V) [9].

Чаще всего 18650 является li-ion аккумулятором. К преимуществам можно отнести:

• Высокая энергетическая плотность;
• Низкий саморазряд;
• Отсутствие эффекта памяти;
• Простота обслуживания;
• Низкий удельный вес.

К недостаткам можно отнести:

• Аккумуляторы Li-ion подвержены выходу из строя при перезаряде и/или перегреве. Чтобы решить эту проблему, все бытовые аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая не дает перезарядиться и/или перегреться вследствие заряда;
• При небережном обращении аккумуляторы могут выходить из строя чаще, чем другие типы аккумуляторов. Полный разряд убивает литий-ионный аккумулятор. После чего аккумулятор восстановить будет невозможно;
• Оптимальные условия хранения Li-ion аккумуляторов достигаются при 40%-ом заряде от ёмкости аккумулятора при температуре около 5 градусов Цельсия. При этом низкая температура является более важным фактором для малых потерь ёмкости при долговременном хранении. Средний срок хранения (службы) литиевого АКБ составляет в среднем 36 месяцев;
• Еще одной особенностью данных аккумуляторв является старение. Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются.

Применяется 18650 там, где необходима большая емкость. В нашем примере это светодиодные фонари. В левом фонаре установлена батарея AAA, в среднем батарея AA, в правом фонаре установлен светодиод CREE SST-50. Для его работы необходима большая мощность. Аккумулятор 18650 идеально подходит, именно поэтому фонарь сделан под него. Некотоые фонари устроены так, что вместо батареи 18650 можно установить переходник на 3 батареи AAA. При этом напряжение практически совпадает: 3,7В и 4,5В (=1,5В*3). При этом, конечно же, происходит потеря емкости аккумуляторной батареи. Так же необходимо отметить, что именно из этих элементов набирают аккумуляторные батареи ноутбуков.

В данном случае, мы используем аккумуляторы фирмы SANYO, таковых мы используем в размере 2-х штук. Соединены последовательно в цепь питания электропривода, в результате чего мы получаем при полном заряде ≈ 8.4В.

Для силового питания для мостовых драйверов на платформе L298n мы используем аккумуляторы фирмы SANYO, таковых мы используем в размере 4-х штук. Соединены последовательно в цепь питания электропривода, в результате чего мы получаем при полном заряде ≈16.8В.

Рассмотрим данный тип батареи:

• Модель: UR18650A (Тип питания);
• Стандартная емкость: 2250 мАч;
• Минимальная емкость: 2150 мАч;
• Стандартное напряжение: 3.7В (Зарядки – 4.25В);
• Разряд отсечки напряжения: 2.5 В;
• Максимальный зарядный ток: 2.15A;
• Максимальный ток разряда: 5А;
• Размер: 18.6*64.9;
• Вес: 44 г.

Тематика разработки мобильных роботов была начата еще в бакалавриате. Видео-обзор на бакалаврскую работу представлен ниже:

Выводы

На основе проведенной работы планируется:

1. Распечатка платформы на 3D-принтере.
2. Установка дополнительных ультразвуковых датчиков расстояния HC-SR04 для автоматической парковки.
3. Полная отладка всех датчиков.
4. Установка дополнительных транзисторов для отключения датчиков в целях энергосбережения.

На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Ориентировочная дата завершения магистерской работы: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Что такое мобильный робот? // GENERATION [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ed.generation.kz/256..., свободный.
2. Классификация мобильных роботов // helpiks.org [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://helpiks.org/6-11883.html, свободный.
3. Dual full-bridge drive L298N // tech.dmu.ac.uk [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.tech.dmu.ac.uk/..., свободный.
4. Voltage Regulator LM7806 // fairchildsemi.com [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.fairchildsemi.com/..., свободный.
5. HC-05 Bluetooth to Serial Port Module // robotshop.com [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.robotshop.com/..., свободный.
6. HC-SR04 Datasheet // electroschematics.com [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.electroschematics.com/..., свободный.
7. TCRT5000 Datasheet // alldatasheet.com [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.alldatasheet.com/..., свободный.
8. Voltage Regulators LF33CV // elcodis.com [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://elcodis.com/..., свободный.
9. LI-ION аккумулятор типа 18650 // aliexpress.com [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.aliexpress.com/....