ДонНТУ   Портал магістрів

Сухов Олександр Олександрович

Електротехнічний факультет

Кафедра Електропривод та автоматизація промислових установок

Спеціальність Електромеханічні системи автоматизації та електропривод

Обґрунтування структури і дослідження мікропроцесорної системи управління мобільного робота

Науковий керівник: доц., к.т.н., Мірошник Денис Миколайович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження
• 3. Мобільний робот. Класифікація мобільних роботів
• 4. Вибір апаратної частини
• 4.1 L298 Dual H-Bridge драйвер
• 4.2 Стабілізатор напряжения LM7805
• 4.3 Стабілізатор напряжения LF33cv
• 4.4 Bluetooth-модуль HC-05
• 4.5 Ультразвуковий датчик виміру відстані HC-SR04
• 4.6 Цифровий датчик лінії TCRT5000
• 5. Експериментальна платформа мобільного робота
• 6. Організація живлення мобільного робота
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Щороку на ринку робототехніки прокручується 5-6 мільярдів доларів, і ця цифра постійно зростає. Мабуть, вік накопичення знань і теоретичної науки змінюється новою епохою – коли всілякі роботи і механізми заповнюють світ За останніми даними, сьогодні в світі працюють 1,8 млн. самих різних роботів – промислових, домашніх, роботів-іграшок. Що ж таке робот?

Робот – це електромеханічний, пневматичний, гідравлічний пристрій, програма, або їх комбінація, яка працює без участі людини і виконує дії, зазвичай здійснювані людиною. Іншими словами робот – автоматичний пристрій, що імітує рухи і дії людини. Робот побудований за комп'ютерною технологією, свідомість робота – це обчислювальна машина, з якої інформація може бути зчитана і перенесена на окремий носій. Робот не лікується, а ремонтується шляхом введення відповідних діагностичних програм.

У робота відсутнє асоціативне мислення. У нього відсутня цікавість – є лише програма по накопиченню інформації, яка йому необхідна. Робот все розуміє розумом, душевні якості йому не властиві – все-таки він не має душі.

Однак сьогодні у фахівців в області робототехніки виникають приблизно ті ж труднощі, що і 30 років тому у розробників ЕОМ. Через відсутність загальних стандартів і платформ творцям роботів доводиться починати розробку кожного нового творіння практично з нуля [1].

1. Актуальність теми

Останнім часом все більшої актуальності стали купувати процеси автоматизації всього технічного устаткування, яке застосовується у верстатах, машинах і механізмах, робототехнічних комплексах. Завдяки впровадженню у виробництво нових технологій, істотно підвищується продуктивність праці, причому частка ручної праці в порівнянні з автоматизованим значно зменшується. Підвищується технічний рівень продукції, що випускається, істотно поліпшується її якість. Все це, напевно, неможливо було б здійснити без мікропроцесорних обчислювальних засобів. Прилади, які виконані із застосуванням мікропроцесорів, мають більш високі показники в роботі в порівнянні з приладами, виконаними на окремих логічних схемах, причому вартість перших значно менше.

2. Мета і задачі дослідження

Метою магістерської роботи є створення структури мобільного робота і дослідження системи управління мобільного робота.

Основні задачі дослідження:

1. Складання схеми управління мобільним роботом;
2. Вибір мікроконтролера;
3. Вибір апаратної частини робота;
4. Аналіз отриманих результатів.

3. Мобільний робот. Класифікація мобільних роботів

Мобільний робот – автономна система, яка існує в фізичному світі, не має фіксованого місця розташування, може відчувати своє оточення і може впливати на нього, щоб досягти якихось цілей.

У сучасній робототехніки роботи визначаються як клас технічних систем, які в своїх діях відтворюють рухові і інтелектуальні функції людини. Від звичайної автоматичної системи робот відрізняється багатоцільовим призначенням, великою універсальністю, можливістю перебудови на виконання різноманітних функцій.

Роботи можна класифікувати по:

• областям застосування – виробничі (промислові), військові (бойові, що забезпечують), дослідні, медичні;
• середовищі існування (експлуатації) – наземні, підземні, надводні, підводні, повітряні, космічні;
• ступені рухливості – стаціонарні, мобільні;
• типу системи управління – програмні, адаптивні, інтелектуальні;
• функціональним призначенням – маніпуляційні, транспортні, інформаційні, комбіновані;
• рівню універсальності – спеціальні, спеціалізовані, універсальні.

Також роботи класифікуються за конструктивними ознаками:

• типу виконавчих приводів – електричні, гідравлічні, пневматичні;
• типу рушія – гусеничні, колісні, колісно-гусеничні, напівгусеничні, крокуючі, колісно-крокуючі, роторні, з петльовим, гвинтовим, водометним і реактивним рушіями;
• конструктивними особливостями технологічного обладнання – по числу маніпуляторів, за вантажопідйомністю маніпуляторів, по системі координат робочої зони (лінійна, кутова);
• типу джерел первинних сигналів – електричні, біоелектричні, акустичні [2].

4. Вибір апаратної частини

В якості об'єкта управління в даній роботі виступає розроблений мобільний робот #WallEPro. Робот складається з наступних датчиків і модулів: ультразвуковий датчик відстані HC-SR04, Bluetooth-модуль HC-05, цифровий датчик лінії TCRT5000, цифровий гіроскоп GY-50 L3G4200D, ультразвуковий сенсор Sonar-EZ1, L298 Dual H-Bridge драйвер, стабілізатори напруги LF33cv і 7805.

4.1 L298 Dual H-Bridge драйвер

L298n являє собою подвійний мостовий драйвер для управління двонаправленими навантаженнями з струмами до 2А і напругою від 4.5 В до 46 В. Мікросхема розроблена для управління реле, соленоїдами, двигунами постійного струму і кроковими двигунами. L298n має TTL сумісні входи. У L298n існує поділ електроживлення для логічної схеми і для навантаження, що дозволяє підключити навантаження з меншою або більшою напругою живлення, ніж у мікросхеми, а також зменшує перешкоди.

Мікросхеми L298n мають вбудований захист від перегріву. Виходи мікросхеми відключаються при нагріванні до температури близько +70°С [3].

На основі datasheet до L298n була спроектована і зроблена плата драйвера. Зроблені датчики струму на одній і на іншій стороні моста драйвера. На платі встановлена індикація, яка показує напрямок руху двигуна.

4.2 Стабілізатор напруги LM7805

Класичний параметричний стабілізатор напруги 5В LM7805 в корпусі ТО-220. Перевірений часом і мільйонами аматорських і професійних конструкцій, стабілізатор незамінний в конструкціях, для яких важлива не тільки стабільність напруги, але і мінімальний рівень шумів напруги живлення. Просте підключення і мінімальна кількість додаткових зовнішніх компонентів.

Для стабільної роботи стабілізатора необхідно встановити на вході і виході по керамічному і електролітичному конденсатору ємністю 0,1мкФ і 100 мкФ на напругу не нижче напруги відповідного кола.

Характеристики стабілізатора:

• Вхідна напруга: від 7В до 25В;
• Вихідна напруга: 5В;
• Максимальный вихідний струм: 1,5А;
• Корпус: ТО-220.

Після певних тестів даного стабілізатора виникла необхідність підвищити струм. Підключивши два таких стабілізатора в паралель, ми отримали в два рази більше вихідного струму [4].

4.3 Стабілізатор напруги LF33cv

Стабілізатор напруги з фіксованим виходом 3.3В. Відрізняється високою стабільністю і високим вихідним струмом в 800 мА.

Характеристики:

• Вихідна напруга: 3.3В;
• Вихідний струм: 500 мА;
• Максимальна вхідна напруга: 16В;
• Падіння напруги: 1В (вхідна не може бути нижче ніж 3.3 + 1 = 4.3В)
• Вбудований струмовий і температурний захист;
• Корпус: TO-220;
• Виробник: STMicroelectronics

Після певних тестів даного стабілізатора виникла необхідність підвищити струм. Підключивши два таких стабілізатора в паралель, ми отримали в два рази більше вихідного струму [8].

4.4 Bluetooth-модуль HC-05

Bluetooth вже давно і міцно увійшов в наше життя в якості зручного протоколу зв'язку різних пристроїв: мобільних телефонів, ноутбуків, КПК, гарнітур, мишей, клавіатур... Список можна ще довго продовжувати. Зазвичай цю технологію інтегрують в свої продукти великі виробники електроніки у вигляді маленької мікросхеми в корпусі BGA або QFN. А як бути нам, простому електронному люду, які не володіютьтемними силами створення 4-шарових плат і кунг-фу мікромонтажа? Для цього є Bluetooth-модуль HC-05 від наших китайських побратимів [5].

4.5 Ультразвуковий датчик виміру відстані HC-SR04

Використовуючи ультразвукові хвилі, він вимірює відстань до об'єкта або просто виявляє перешкоду на шляху руху рухомої конструкції. На платі модуля розміщені пьєзо-випромінювач ультразвуку і мікрофон, що сприймає відбиту хвилю.На відміну від інфрачервоних далекомірів, на ультразвуковий датчик HC-SR04 не впливають джерела світла або колір перешкоди. Можуть виникнути труднощі при визначенні відстані до пухнастих або тонких об'єктів. Звертаємо увагу, що швидкість звуку в повітрі залежить від температури. Це впливає на точність датчика. Типовими областями застосування є паркувальні датчики, контролери рівня, пристрої моніторингу місцевості і інші [6].

4.6 Цифровий датчик лінії TCRT5000

Цифровий датчик лінії дозволяє визначати колір поверхні біля нього. Виходом є простий бінарний цифровий сигнал: логічний 0 або 1 в залежності від кольору, який він бачить перед собою. Одиниця – чорний або порожнеча, нуль – не чорний [7].

5. Експериментальна платформа мобільного робота

Основою робота, що розроблюється, є відладочна плата STM32F4. На першому рівні робота, показаному на рисунку 12, розташовані двигуни постійного струму, два драйвера для управління двигунами, Bluetooth-модуль HC-05, цифрові датчики лінії TCRT5000, плати перетворення сигналу, ультразвукові датчики наближення HCSR04, стабілізатори напруги LF33cv і LM7805, гіроскоп. На другому рівні показаному на рисунку 13, перебуває сама відладочна плата STM32F4, а також живлення робота. Драйвера були зроблені власноруч на основі мікросхеми подобі драйверів L298N. Автономне живлення здійснюється за допомогою літій-іонних батарей взятих з ноутбука. Для безпечної роботи літій-іонних акумуляторів, оскільки вони мають вибухонебезпечності передбачені запобіжники. Надалі планується заміна корпусу робота і створення нового на 3Dпринтері.

6. Організація живлення мобільного робота

Живлення мобільного робота здійснюють акумуляторні батареї, які були взяті з уже використаних акумуляторів ноутбуків, так само зроблена резервна батарея з використаних акумуляторів IPhone.

Останнім часом li-ion набирає популярність, так як забезпечує необхідну напругу і ємність.За формою вона нагадує пальчикові AA і мізинчикові AAA батарейки. Напруга на виході – 3,7V. Типова ємність: 2200-3000 мАг. У батарей AA і AAA напруга 1,5V (у акумуляторів AA і AAA –1,2V) [9].

Найчастіше 18650 є li-ion акумулятором. До переваг можна віднести:

• Висока енергетична щільність;
• Низький саморозряд;
• Відсутність ефекту пам'яті;
• Простота обслуговування;
• Низька питома вага.

До недоліків можна віднести:

• Акумулятори Li-ion схильні до виходу з ладу приперезаряді і/або перегріві. Щоб вирішити цю проблему, всі побутові акумулятори забезпечуються вбудованою електронною схемою, яка не дає перезарядитися і/або перегрітися внаслідок заряду;
• При недбалому зверненні акумулятори можуть виходити з ладу частіше, ніж інші типи акумуляторів. Повний розряд вбиває літій-іонний акумулятор. Після чого акумулятор відновити буде неможливо;
• Оптимальні умови зберігання Li-ion акумуляторів досягаються при 40% -му заряді від ємності акумулятора при температурі близько 5 градусів Цельсія. При цьому низька температура є більш важливим фактором для малих втрат ємності при довготривалому зберіганні. Середній термін зберігання (служби) літієвого АКБ становить в середньому 36 місяців;
• Ще однією особливістю даних аккумуляторв є старіння. Літієві акумулятори старіють, навіть якщо не використовуються.

Застосовується 18650 там, де необхідна велика ємність. У нашому прикладі це світодіодні ліхтарі. У лівому ліхтарі встановлена батарея AAA, в середньому батарея AA, в правому ліхтарі встановлений світодіод CREE SST-50. Для його роботи необхідна велика потужність. Акумулятор 18650 ідеально підходить, саме тому ліхтар зроблений під нього. Некотоие ліхтарі влаштовані так, що замість батареї 18650 можна встановити перехідник на 3 батареї AAA. При цьому напруга практично збігається: 3,7V і 4,5V (= 1,5V * 3). При цьому, звичайно ж, відбувається втрата ємності акумуляторної батареї. Так само необхідно відзначити, що саме з цих елементів набирають акумуляторні батареї ноутбуків.

В даному випадку, ми використовуємо акумулятори фірми SANYO, таких ми використовуємо в розмірі 2-х штук. З'єднані послідовно в ланцюг живлення електроприводу, в результаті чого ми отримуємо при повному заряді ≈ 8.4В.

Для силового живлення для мостових драйверів на платформі L298n ми використовуємо акумулятори фірми SANYO, таких ми використовуємо в розмірі 4-х штук. З'єднані послідовно в ланцюг живлення електроприводу, в результаті чого ми отримуємо при повному заряді ≈16.8В.

Розглянемо цей тип батареї:

• Модель: UR18650A (Тип живлення);
• Стандартна ємність: 2250 мАг;
• Мінімальна ємність: 2150 мАг;
• Стандартна напруга: 3.7В (Зарядки – 4.25В);
• Розряд відсічення напруги: 2.5 В;
• Максимальний зарядний струм: 2.15A;
• Максимальний струм розряду: 5А;
• Розмір: 18.6*64.9;
• Вага: 44 г.

Тематика розробки мобільних роботів була розпочата ще в бакалавраті. Відео-огляд на бакалаврську роботу представлений нижче:

Висновки

На основі проведеної роботи планується:

1. Роздрукування платформи на 3D-принтері.
2. Встановлення додаткових ультразвукових датчиків відстані HC-SR04 для автоматичного паркування.
3. Повна відладка всіх датчиків.
4. Встановлення додаткових транзисторів для відключення датчиків з метою енергозбереження.

На момент написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Орієнтовна дата завершення магістерської роботи: червень 2018 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

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/....