ДонНТУ   Портал магистров

Якубовский Александр Александрович

Электротехнический факультет

Кафедра Электропривод и автоматизация промышленных установок

Специальность Электромеханические системы автоматизации и электропривод

Разработка системы автоматического обнаружения Морриган–С

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

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы и цель исследования
• 2. Классификация мобильных роботов
• 3. Типы управления мобильным роботом САО Морриган–С
• 4. Оборудование мобильного робота САО Морриган–С
• 5. Выбор микроконтроллера
• 6. Преимущества проекта
• Список источников

Введение

Роботы – автоматические системы, предназначенные для воспроизведения двигательных и интеллектуальных функций человека. От традиционных отличаются большей универсальностью и способностью адаптации на выполнение различных задач, в том числе в изменяющейся обстановке.

Роботы сегодня находят множество применений. Одно из самых опасных – обезвреживание бомб. Уже почти полвека роботы – саперы спасают человеческие жизни. Их использовали для деактивации взрывных устройств в сотнях, если не тысячах, случаев.

Робот – система автоматического обнаружения(САО) – это устройство заменяющее человека в боевых ситуациях, он предназначен для сохранения человеческой жизни или для работы в условиях, несовместимых с возможностями человека, например: разведка, разминирование и тому подобное.

Большинство роботов являются устройствами телеприсутствия, то есть устройства с управлением человека и пульта управления, будь то специальный пульт, будь то смартфон с которого можно управлять роботом, но есть роботы которые так же могут работать автономно, со специально установленной задачей.[1]

1. Актуальность темы и цель исследования

Робототехника – прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой интенсификации производства.

Роботы сегодня находят множество применений. Одно из самых опасных – обезвреживание подозрительных устройств. Уже почти полвека роботы спасают человеческие жизни. Их использовали для деактивации устройств в сотнях, если не тысячах, случаев.

Впрочем, говорить робот САО не совсем верно. В Оксфордском словаре значится: Робот – механизм, способный автоматически выполнять сложную последовательность действий. Роботы САО не принимают решений и не работают автономно. Их лучше называть дронами, так как ими дистанционно управляет специализированный человек прошедший определённую подготовку.

В наше время роботы во многих сферах за меняют человека. Так же и в этой опасной сфере не обошлось без использования специализированных роботов, которые позволяют заменить человека, тем самым сохраняя его жизнь от неблагоприятных последствий.[2]

САО Морриган–С предназначена для обнаружения, распознавания и передачи и информации о подозрительных металлических предметах, которые могут нанести вред человеку, определения растяжек и прочих взрывных устройств, проведение разведки минных полей.

Целью магистарской работы является разработка системы автоматического обнаружения САО Морриган–С.

2. Классификация мобильных роботов

Исследовательские роботы – это устройства для проведения различных исследований, в том числе и возможностей использования роботов для выполнения различных функций. К ним относятся многочисленные приборы как автоматического, так и полуавтоматического плана. По средам использования различают:

1. Космические – используются для проведения исследований в условиях космоса, к ним можно отнести различные исследовательские спутники.
2. Наземные – предназначены для проведения исследований на поверхности земли, в случае проведения исследований на других планетах, роботов называют планетоходами.
3. Подземные – способны проводить исследования под поверхностью почвы, или непосредственно под грунтом или же в пещерах и гротах.
4. Морские – устройства для проведения исследований в надводном или подводном положении.
5. Боевой робот – это многофункциональное техническое устройство с антропоморфным (человекоподобным) поведением, частично или полностью выполняющее функции человека при решении определенных боевых задач. Позволяет заменить человека при выполнении боевых задач, сохранить ему жизнь, а также выполнить задачи, несовместимые с его возможностями.

3. Типы управления мобильным роботом САО Морриган–С

Управление роботом производится 2мя способами. При помощи андроид – смартфона и передачи сигнала по каналу Bluetooth, а также автоуправление осуществляемое при помощи ультразвукового датчика HCSR–04.

Первый тип управления роботом осуществляется посредствам канала Bluethooth при помощи телефона и программы ArduinoJoystickController.

Управление со смартфона производиться посредствам связи по каналу Bluetooth. Bluetooth – это пожалуй самый распространенный тип связи для коротких дистанций, которым пользуются большинство современных электронных устройств.

Телефонные гарнитуры, наушники, клавиатуры и мышки, принтеры и прочие. Некоторое время назад bluetooth был распространен как средство передачи файлов между телефонами. Главными достоинствами BT можно назвать хорошую устойчивость к широкополосным помехам и простоту реализации. Первое значит, что куча устройств, находящихся в одном месте, могут одновременно общаться между собой, не мешая друг другу. Второе же помогло широкому распространению Bluetooth в среде DIY, и вообще во всех средах. В работе используется BT HC–06 для управления роботом со смартфона.[9]

Второй тип управления осуществляется при помощи ультразвукового датчика HC–SR04. Простыми словами происходит реализация автоматического объезда препятствий.

Внешний ультразвукового датчика измерения расстояния HC–SR04 представлен на рисунке 3.

Ультразвуковой датчик предназначен для изменения расстояния от устройства до преграды.

Распиновка:

1. VCC – питание датчика;
2. GND – земля;
3. Trig – цифровой вход для включения измерения;
4. Echo – после завершения измерения, на этот выход будет подана логическая единица на время, пропорциональное расстоянию до объекта.

Размеры ультразвукового датчика измерения расстояния HC–SR04 представлены на рисунке 4.

Принцип работы:

Сенсор излучает короткий ультразвуковой импульс (в момент времени 0), который отражается от объекта и принимается сенсором. Расстояние рассчитывается исходя из времени до получения эха и скорости звука в воздухе.

Принцип работы и диаграмма работы ультразвукового датчика измерения расстояния HC–SR04 представлен на рисунке 5.

Таким образом, сенсор получает сигнал эха, и выдаёт расстояние, которое кодируется длительностью электрического сигнал на выходе датчика (Echo). Следующий импульс может быть излучён, только после исчезновения эха от предыдущего. Это время называется периодом цикла (cycle period). Рекомендованный период между импульсами должен быть не менее 50 мс. Если на сигнальный пин (Trig) подаётся импульс длительностью 10 мкс, то ультразвуковой модуль будет излучать восемь пачек ультразвукового сигнала с частотой 40кГц и обнаруживать их эхо. Измеренное расстояние до объекта пропорционально ширине эха (Echo).

Документация на сенсор, так же указывает, что если никаких препятствий не обнаружено, то на выходе будет сигнал с длительностью 38ms.

Диаграмма направленности ультразвукового датчика измерения расстояния HC–SR04 представлена на рисунке 6.[4]

4. Оборудование мобильного робота САО Морриган–С

1. Отладочная плата STM32F4DISCOVERY . Она предназначена для отладки и управления устройством.
2. Futaba S3001 – аналоговый стандартный сервопривод. Предназначен для поворотной системы устройства.
   

   Рисунок 7 – Серводвигатель Futaba S3001

   Принцип действия сервопривода:

   Когда импульс, посылаемый на сервопривод, становится короче 1,5 мс, сервопривод поворачивает выходной вал на несколько градусов против часовой стрелки и удерживает это положение. Когда импульс шире, чем 1,5 мс, тогда происходит противоположное. Минимальная и максимальная ширина импульса, который управляет сервоприводом, является свойством конкретного сервопривода. Различные марки, и даже различные сервоприводы одной марки, обладают различным минимумом и максимумом. Как правило, ширина минимального импульса составляет примерно 1мс и ширина максимального импульса составляет 2 мс.[3]

   На рисунке 8 показан принцип работы сервопривода Futaba S3001.

   

   Рисунок 8 – Принцип работы сервопривода Futaba S3001
   (анимация: 11 кадров, 47 килобайт)
   

   Бюджетная стандартная рулевая машинка Futaba S3001 с пластиковыми шестернями редуктора и одним подшипником, которая применяется на различных моделях автомобилей, вертолетов, самолетов, лодок и яхт небольшого и среднего размеров. Является превосходным выбором для моделей, где требуются сервоприводы с повышенным сроком службы. Недорогой сервопривод с шарикоподшипниками для взыскательных пользователей. Стандартный размер корпуса. Производитель рекомендует использовать привод S 3001 в тех случаях, когда нужна долговечность. Характеризуется как первоклассный сервопривод широкого применения для маленьких и среднего размера моделей вертолетов.[7]

3. Двигатели движения вперед/назад Морриган–С. Безопасное питание, удобство установки и обслуживания, дают неоспоримые преимущества использования в данном проекте этих двигателей.

   Для начала движения мобильного робота Морриган–С, с модуля Bluetooth HC–06 должен придти управляющий сигнал на плату STM32F4DISCOVERY, далее с платы сигнал передается на драйвер управления в основе которого лежит драйвер L298N.

   Драйвер L298N – это полный мостовой драйвер для управления двунаправленными нагрузками с токами до 2 А и напряжением до 46 В. Данная модель разработана для управления компонентами с индуктивными нагрузками, такими как электромагниты, реле, двигатели.

   

   Рисунок 9 – Драйвер L298N

   Далее с драйвера управляющий сигнал идёт на двигателя которые начинают вращаться, чем создают движение робота в нужном направлении. При помощи драйвера L298N мы можем управлять нашими двигателями по двум направлениям, вперед и назад.[8]

4. Блок питания.
   1. DC/DC преобразователь напряжения. Питание аппаратуры осуществляется от гальванических элементов или аккумуляторов, то преобразование напряжения до нужного уровня возможно лишь с помощью DC/DC преобразователей. Идея достаточно проста: постоянное напряжение преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается (понижается), а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Такие преобразователи часто называются импульсными.
      

      Рисунок 10 – DC/DC преобразователь напряжения

   2. Контроллер заряда FDC – 2s–2 18650 Li–ion battery.
      

      Рисунок 11 – Контроллер заряда FDC – 2s–2 18650 Li–ion battery

      Контроллер заряда FDC – 2s–2 18650 Li–ion battery используется для заряда Li–ion батарей САО Морриган–С.

      

      Рисунок 12 – Схема подключения Li–ion батарей к контроллеру заряда FDC – 2s–2 18650 Li–ion battery

   3. Стабилизатор напряжения L7805.

      Микросхема выпускается в двух видах, в пластмассе – ТО–220 и металле – ТО–3. Три вывода: слева на право – вход, минус, выход. В проекте используется для питания всей 5В стороны.

      

      Рисунок 13 – Стабилизатор напряжения L7805

      Последних две цифры указывают на стабилизированное напряжение микросхемы –7805 , –5 вольт соответственно. Вот схема подключения стабилизатора, которая подходит для всех микросхем этой серии:

      

      Рисунок 14 – Схема подключения стабилизатора напряжения L7805

   4. Источником питания выступают две литиевые батарейки 18650, 3.7 вольта, 1200 мА/ч.
      

      Рисунок 15 – Литиевые батарейки 18650

      3.7 вольта, 1200 мА/ч Аккумулятор 18650 – это литий–ионная батарейка, которая по форме напоминает пальчиковую батарейку, но на выходе имеет напряжение 3.7 В, а ее емкость составляет от 1200 до 3600 мАч.

5. Выбор микроконтроллера

Для создания полноценного робота требуется большое количество компонентов и мы, произвели попытку систематизации их для дальнейшего использования. Мозгом практически каждого робота является микроконтроллер или же их совокупность, где каждый отвечает за определённые функции. С одной стороны, использование нескольких микроконтроллеров усложняет конструкцию, но с другой позволяет добиться большей надёжности системы в целом и продолжительности её работы благодаря возможности отключения некоторых узлов, а также управляющих ими контроллеров в случае их ненадобности в данный момент. Ключевыми аспектами при выборе микроконтроллера являются: разрядность, количество цифровых и аналоговых входов и выходов, размер флэш-памяти, количество оперативной памяти, тактовая частота, наличие таймеров и других периферийных устройств.

Отладочная плата STM32F4DISCOVERY .

Она предназначена для отладки и управления устройством. STM32F4DISCOVERY – высокопроизводительная исследовательская плата для STM32F4 позволяет изучать возможности микроконтроллера STM32F4 и легко разрабатывать собственные приложения. В комплект поставки входит все необходимое, чтобы немедленно начинать разработки, как новичкам, так и опытным пользователям. Основанная на STM32F407VGT6, плата имеет интегрированный отладчик ST–LINK/V2, два ST MEMS, цифровой измеритель ускорения (акселерометр) и цифровой микрофон, один аудио ЦАП с интегрированным драйвером громкоговорителя, работающим в классе D, светодиоды и кнопки, а также разъем USB OTG micro–AB. В основе платы лежит микроконтроллер STM32F407VGT6 с ядром ARM Cortex–M4 и максимальной тактовой частотой 168 МГц, что позволяет использовать его в цифровой обработке сигналов и других приложениях, где необходимо максимальное быстродействие. Наличие 1 мегабайта флешпамяти и 192 кбайт ОЗУ просто впечатляют. Присутствует вся стандартная периферия, такая как DAC, ADC, SPI, I2C, PWM, RTC. Также есть поддержка USB хоста и Ethernet, имеется интерфейс DCMI для подключения камеры и SDIO для подключения SD карт, а также аппаратный генератор случайных чисел. Отладчик Здесь все тот же ST–Link, только с двухцветным светодиодом, который красиво подмигивает при отладке. Имеется 4 светодиода, расположенных вокруг акселерометра, и две кнопки – пользовательская и RESET.[5]

Большим плюсом является наличие в микроконтроллере модуля для работы с числами с плавающей точкой, что увеличивает скорость обработки в приложениях, связанных, например со спектральным анализом или же в БПЛА для алгоритмов ориентации.

Данный микроконтроллер обладает всеми необходимыми компонентами и характеристиками для решения поставленных задач, также данная плата поддерживает совместимость с программным пакетом Matlab.[6]

6. Преимущества проекта

1. Индивидуальность проекта(отсутствие информации о роботе в интернете). Малая доля информации была взята из интернета.
2. Устройство было собрано из подручных средств которые были на кафедре. Тем самым была снижена стоимость проекта к минимальным затратам. Самыми дорогими элементами являются отладочная плата(около 2000 руб.) и датчик металла(около 300 руб.).
3. Простота управления устройством так же является одним из его преимуществ.
4. Используется технология быстрого прототипирования.

Тематика разработки мобильного робота САО Морриган была начата еще в бакалавриате. Видео–обзор на бакалаврскую работу представлен ниже:

На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Ориентировочная дата завершения магистерской работы: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Устройство роботов.[Электронный ресурс] – Режим доступа: mechs.su..., доступ свободный.
2. С. Г. Колпаков, А. Д. Мячиков. Классификация роботов по использованию, передвижению и компонентам // Молодой ученый. – 2017. – №3.[Электронный ресурс] – Режим доступа: moluch.ru..., доступ свободный.
3. В. Ярополов Как работает сервопривод?[Электронный ресурс] – Режим доступа: www.rc-auto.ru..., доступ свободный.
4. Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC–SR04.[Электронный ресурс] – Режим доступа: robocraft.ru..., доступ свободный.
5. STM32F4DISCOVERY.[Электронный ресурс] – Режим доступа:www.st.com..., доступ свободный.
6. Отладочная плата STM32F4 Discovery.[Электронный ресурс] – Режим доступа: robotosha.ru... , доступ свободный.
7. S3003 Futaba Servo.[Электронный ресурс] – Режим доступа: ww.es.co.th..., доступ свободный.
8. L298N.[Электронный ресурс] – Режим доступа: www.alldatasheet.com..., доступ свободный.
9. HC–06.[Электронный ресурс] – Режим доступа: www.olimex.com..., доступ свободный.