Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

«Робот-дозиметрист» представляет собой довольно сложную вычислительную систему, состоящую из нескольких узлов. При выходе из строя какого-нибудь из его узлов весь робот может выйти из строя, особенно если этим узлом станет бортовой ПК, который отвечает за все внутренние процессы робота. Основной проблемой данной реализации робота является малая дистанция передачи данных. Для обеспечения дополнительной безопасности системы и увеличения дальности передачи данных, было принято решение, разработать автономный аппаратно-программный комплекс средств для подсистемы управления “Роботом - дозиметристом”.

Первая глава работы посвящена сбору предварительной информации необходимой для разработки платы. В частности, проанализирована общая структурная схема разрабатываемого робота. Основываясь на этом анализе мы так же рассматриваем основные проблемы которые могут возникнуть при работе робота. Во второй главе производится анализ существующих способов передачи информации на большие расстояния и там же составляется основной список требований разрабатываемой системе.

Третья глава посвящена проектированию подсистемы управления, нашедшей своё отображение в виде двух контроллеров: котроллера оператора и бортового контроллера. Глава состоит из проектирования принципиальных электрических схем контроллеров и трассировке плат этих контроллеров.

Четвёртая глава содержит в себе разработку протокола гарантированной доставки сообщений по радио каналу и разработку управляющей программы для взаимодействия контроллеров.

Пятая глава посвящена тестированию печатных плат и тестированию протокола гарантированной доставки сообщений. В Приложении 1 так же приведено руководство пользователя для созданной платы управления датчиками.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОРНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Робот-дозиметрист (проект НИЯУ МИФИ): назначение, краткая характеристика, перспективы внедрения.

1.2 Робот-дозиметрист (проект НИЯУ МИФИ): архитектурная концепция, основные составные узлы.

1.2.1 Контроллер управления двигателями

1.2.2 Аккумуляторы для питания блока управления

1.2.3 Бортовой ПК

1.3 Обзор общей функциональной схемы “Робота - дозиметриста”.

2. НАХОЖДЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СПОСОБА ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ РОБОТА

2.1 Обзор способов беспроводной передачи данных на большие расстояния.

2.2 Основные требования к контроллерам.

3. РАЗРАБОТКА АППАРАРАТНОЙ ЧАСТИ КОНТРОЛЛЕРА ОПЕРАТОРА И БОРТОВОГО КОНТРОЛЛЕРА.

3.1 Проектирование принципиальной схемы контроллера оператора.

3.2 Проектирование принципиальной схемы бортового контроллера.

3.3 Трассировка печатных плат.

4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАМНОЙ ЧАСТИ КОНТРОЛЛЕРОВ.

4.1 Алгоритм взаимодействия контроллеров.

4.1.1 Формат пакетов.

4.1.2 Протокол обмена данными.

4.1.3 Возможные ситуации при передаче данных по протоколу.

4.1.4 Блок-схемы основных функций протокола.

4.2 Общий алгоритм программы.

5. ТЕСТИРОВАНИЕ И ОТЛАДКА СПРОЕКТИРОВАННЫХ УСТРОЙСТВ.

5.1 Тестирование печатных плат

5.2 Отладка программной части контроллеров

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время робототехника является одной из самых динамично развивающихся прикладных наук. Задача робототехники - проектирование, производство и ввод в эксплуатацию автоматизированных технических систем. Опорой для этой науки служат такие дисциплины как электроника, механика, программирование. В последнее десятилетие, к ведущей роле робототехники в выполнении задач автоматизации производственных процессов прибавилось так же задачи автоматизации практически всех сфер человеческой деятельности - от работы в открытом космосе до решения самых простых бытовых проблем.

Для описания эволюции роботов можно воспользоваться теорией профессора Университета Карнеги-Меллона (Пенсильвания, США) Ханса Моравеца, согласно которой созданные человеком роботы должны пройти 4 этапа эволюции. Условное первое поколение он уподобил по своему интеллектуальному потенциалу ящерице, ко второму отнёс роботов с возможностью накопления знаний (обучения) и уподобил их мышам (по его же прогнозу, такие роботы появятся к 2020 году). Третье поколение роботов должно иметь интеллект сопоставимый с обезьяной. И, наконец, четвёртое поколение он уподобил человеку, однако, появление таких роботов профессор предсказал никак не ранее второй половины 21 века.

Подавляющее большинство существующих и готовящихся к производству роботов обладает сравнительно малым интеллектуальным потенциалом, поэтому, их возможно квалифицировать в зависимости от цели назначения, либо по используемым компонентам. В частности, разделив роботы по способу передвижения, можно выделить колёсные роботы (одноколёсные, двухколёсные, трёхколёсные, четырёхколёсные, многоколёсные), шагающие роботы (использующие две, четыре, шесть ног, либо многоногие), плавающие роботы (надводные и подводные), летающие и другие (прыгающие, подражающие движением змеи и т.д.). Так же роботы актуально квалифицировать в зависимости от используемой движущей силы и систем управления.

Настоящая работа посвящена проектированию одной из составных частей колёсной передвижной платформы «Робота-дозиметриста» - а именно, подсистеме управления.

Для успешного выполнения задачи необходимо:

- провести анализ проектных решений для устранений возможных неисправностей в разрабатываемом роботе;

- проанализировать способы дистанционной передачи данных;

- спроектировать функциональную схему бортового вычислительного блока Робота-дозиметриста;

- провести анализ микроконтроллеров для разработки системы;

- спроектировать функциональную и принципиальные схемы плат подсистемы управления Роботом-дозиметристом и произвести трассировку в системе автоматизированного проектирования P-cad;

- закупить комплектующие и изготовить спроектированные платы;

- провести монтаж и отладку изготовленных плат;

- написать управляющую программу для взаимодействия контроллеров;

- протестировать спроектированные платы;

- протестировать управляющую программу;

- составить руководство пользователя.

Первая глава работы посвящена сбору предварительной информации необходимой для разработки платы. В частности, проанализирована общая структурная схема разрабатываемого робота. Основываясь на этом анализе мы так же рассматриваем основные проблемы которые могут возникнуть при работе робота.

Во второй главе производится анализ существующих способов передачи информации на большие расстояния и там же составляется основной список требований разрабатываемой системе.

Третья глава посвящена проектированию подсистемы управления, нашедшей своё отображение в виде двух контроллеров: котроллера оператора и бортового контроллера. Глава состоит из проектирования принципиальных электрических схем контроллеров и трассировке плат этих контроллеров.

Четвёртая глава содержит в себе разработку протокола гарантированной доставки сообщений по радио каналу и разработку управляющей программы для взаимодействия контроллеров.

Пятая глава посвящена тестированию печатных плат и тестированию протокола гарантированной доставки сообщений. В Приложении 1 так же приведено руководство пользователя для созданной платы управления датчиками.

1. ОБЗОРНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Робот-дозиметрист (проект НИЯУ МИФИ): назначение, краткая характеристика, перспективы внедрения

Универсальная робототехническая платформа «Робот - дозиметрист» - разрабатываемое в рамках научных программ НИЯУ МИФИ многофункциональное устройство, основное предназначение которого - удалённый сбор данных и получение максимально-подробных сведений об окружающей среде, в том числе, в условиях, непригодных для работы человека. В соответствии со своим назначением, проектируемое устройство должно обладать следующими характеристиками:

- повышенной прочностью конструкции и надёжности аппаратуры, в том числе, радиационной стойкостью всех устройств робота не менее 10000 рентген/час при гамма-излучении

- возможностью максимально-удалённой от оператора работы, либо полностью автономной работы

- мобильностью (возможность передвигаться со скоростью не менее 15 км\ч, размеры не более чем 500х500х500 мм)

- временем работы без подзарядки в любых условиях не менее часа

- возможностью автономной ориентации на местности (самостоятельный объезд препятствий, сбор сведений о местоположении встречаемых предметов относительно друг друга для дальнейшей передачи оператору)

- наличием датчиков, достаточных для полного анализа радиоактивной обстановки

- универсальностью (возможностью, как подключения дополнительных датчиков, так и замены существующих в зависимости от выполняемой задачи без изменения конструкции и серьёзных программных модификаций)

- экономической привлекательностью относительно зарубежных робототехнических платформ

Робот, отвечающий всем приведённым выше требованиям, станет уникальным, не имеющим аналогов продуктом, в первую очередь предназначенным для предприятий, работающих в сфере атомной энергетики. Так же, подобный робот, благодаря своей универсальности, может успешно конкурировать с зарубежными и немногочисленными российскими робототехническими платформами, созданными для нужд полиции и специальным служб.

1.2 Робот-дозиметрист (проект НИЯУ МИФИ): архитектурная концепция, основные составные узлы

Разрабатываемый робот представляет собой четырёхколёсную тележку с 2 ведущими колёсами. Такая компоновка позволяет обеспечить оптимальные ходовые характеристики при необходимом уровне проходимости. В качестве мотор-колёс используются колёса HUB24E производства компании GoldenMotor(рис 1.1).

Рис. 1.1. Мотор-колесо HUB24E

Технические характеристики мотор-колёс приведены ниже:

- номинальное напряжение питания: 12/24/36 В;

- максимальная мощность:100-300 Вт;

- вес: 4.8 кг.

Структурная схема связи элементов робота, размещённых на тележке, представлена на рис 1.2. Так же на схеме показана модель связи с удалённым оператором.

Концепция проектируемого робота предлагает разбиение его составных частей на 3 узла: блок сбора данных, систему видеонаблюдения и блок управления. В центре этой системы находится бортовой ПК, связанный с каждым из 3 узлов по USB-интерфейсу. Кроме этого, по штатному Wi-Fi каналу бортовой ПК связан с клиентской системой (постом оператора).

В целом, блок управления отвечает за механическое передвижение робота. Он состоит из контроллера управления двигателями, самих двигателей. Он связан с бортовым ПК через проводник USB-COM.

Система видеонаблюдения состоит из 2 видеокамер и контроллера видеоизображения.

Блок сбора данных состоит из платы управления датчиками, отвечающей за сбор данных с самих датчиков и передачу её на бортовой ПК. Блок сбора данных имеет автономную систему питания.

Рис. 1.2. Cтруктурная схема «Робота-дозиметриста»

1.2.1 Контроллер управления двигателями

Для управления двигателями выбран двухканальный контроллер ax3500 американской фирмы RoboteQ (рис. 1.3), предназначенный для преобразования команд, полученных от беспроводного модема, аналогового джойстика или другого микроконтроллера в ток высокого напряжения для управления одним или двумя двигателями постоянного тока. Два канала контроллера могут работать независимо или в паре для задания направления движения либо вращения движимого объекта путём координации движения с 2 сторон объекта.

Рис. 1.3. Двухканальный контроллер управления двигателями RoboteQ ax3500

Технические характеристики контроллера:

- рабочее напряжение: от 12 до 40 В постоянного тока;

- количество каналов: 2;

- ток: 40А постоянный, 60A Max;

- ограничение по току: по автоматическому снижению выходной мощности в зависимости от нагрузки и прошедшего времени;

- защита по температуре: автоматически, начиная от 80 С;

- защита по напряжению: отключение при значении ниже 12 и выше 43В:

- коррекция на входах: программируемая;

- операционная температура: От -40 до +85 ° С (температура радиатора);

- способ охлаждения: радиатор;

- размеры: 106 х 172 х 30 мм;

- вес 212 грамм;

- возможность использования:

- двух R / C входов;

- последовательного интерфейса RS232;

- двух входов аналогового интерфейса;

- разъёмов для двух дополнительных оптических энкодеров (максимум 125 кГц);

- 8 выходов R / C сервоприводов;

- двух входов цифрового интерфейса, одного выхода (максимально

24 В, 2 А);

- контроля скорости при движении вперёд или назад;

- тахометра на аналоговых входах;

- потенциометра на аналоговых выходах.

1.2.2 Аккумуляторы для питания блока управления

В качестве аккумулятора для питания мотор-колёс используются герметизированные, свинцово-кислотные аккумуляторные батареи CSB HR 12120W, высокоэффективные и обладающие большой энергоемкостью.

Имея небольшие массогабаритные показатели, батареи обеспечивают работу более 260 циклов заряда-разряда до 100% степени разряда в циклическом режиме или 3-5 лет эксплуатации в буферном режиме. Основное достоинство данных батарей - это специальная конструкция решетки, позволяющая повысить выходную мощность на 20%. Они наиболее приспособлены к использованию в высокомощном оборудовании и источниках бесперебойного питания. Батареи герметизированы, не нуждаются в обслуживании и в доливке водой, могут работать как в буферном, так и в циклическом режимах. Они могут эксплуатироваться в любом положении, имеют очень низкий уровень саморазряда и низкое сопротивление.

Характеристики:

- страна производства: Тайвань;

- выполнены по AGM-технологии;

- напряжение: 12 В;

- ёмкость: 30 Ач;

- длина 166 мм;

- ширина 125 мм;

- высота 166.5 мм;

- высота с клеммой: 175 мм;

- вес 10.7 кг;

- срок службы 5 лет;

- количество элементов в блоке: 6;

- максимальный ток разряда 400 (5 сек);

- внутреннее сопротивление 9 мОм;

- диапазон рабочих температур:

- разряд: -20°С ~50°С

- заряд : 0°С ~40°С

- хранение : -20°С ~40°С

- оптимальная рабочая температура: 25°С;

- напряжение подзаряда: 13,5 до 13,8 В при 25°С;

- максимальный ток заряда: 12 А;

- напряжение заряда при циклическом режиме: 14,4 до 15,0 В при 25°С

- саморазряд: батареи CSB могут храниться 6 месяцев без подзарядки при 25°С. При более высокой температуре - время хранения уменьшается;

- материал корпуса: ABS (акрило-бутадиен-стирол).

1.2.3 Бортовой ПК

Основным бортовым вычислительным узлом проектируемого робота-дозиметриста является нетбук Acer Aspire One. С помощью 3USB-портов нетбук связан с контроллером управления двигателями, платой управления датчиками, а так же с бортовыми органами зрения (веб-камерами). Через штатную систему беспроводной связи нетбука (Wi-fi) осуществляется связь робота с оператором. Формируемая посылка от робота к оператору содержит информацию о состоянии окружающей среды с платы управления датчиками и с веб-камер. В обратную сторону, оператор может выдавать задания роботу по автономному исследованию определённой местности, либо управлять роботом вручную в режиме реального времени.

1.3 Обзор общей функциональной схемы “Робота - дозиметриста”

Универсальная робототехническая платформа «Робот - дозиметрист» - разрабатываемая в рамках научных программ НИЯУ МИФИ многофункциональное устройство, основное предназначение которого - сбор данных и получение максимально-подробных сведений об окружающей среде в условиях, непригодных для работы человека.

«Робот - дозиметрист» состоит из нескольких основных узлов: блока сбора данных, системы видеонаблюдения и блок управления. В центре этой системы находится бортовой ПК, связанный с каждым из 3 узлов по USB-интерфейсу. Кроме этого, по штатному Wi-Fi каналу бортовой ПК связан с клиентской системой (постом оператора). В связи с этим, при постоянном использовании робота может возникнуть ряд проблем, которые смогут помешать выполнению поставленной задачи. Ниже, более подробно, рассматриваются эти проблемы.

Основными программно-аппаратными проблемами являются:

· Потеря сигнала Wi-Fi;

· Выход из строя контроллера управления датчиками;

· Выход из строя контроллера управления двигателями;

· Выход из строя бортового ПК.

По штатному Wi-Fi каналу бортовой ПК связан с клиентской системой (постом оператора). По этому, потеря Wi-Fi сигнала приведёт к невозможности управлять роботом и следить за показанием датчиков. Это одна из самых серьёзных и часто встречающихся проблем. Она может возникать в различных ситуациях. Wi-Fi сети поддерживают роуминг, поэтому клиентская станция может перемещаться в пространстве, переходя от одной точки доступа к другой.

Имеет большое значение расположение "точки доступа" или беспроводного свитча/роутера и всех кто будет подключен через эту "беспроводную сеть" (клиентские машинки). Передача данных идет (в основном) по прямой, по кратчайшему расстоянию. Имеет значение количество и материал преград на пути сигнала (стены, окна-двери, мебель и т.п.). Наилучший вариант - когда все в одном "ангаре" без преград, наихудший вариант - когда много преград из железобетона, железа. Может быть проблемой и одна стенка, если она расположена почти параллельно пути сигнала, но сигналу нужно через нее пройти.

Реалии таковы, что для передачи на большие расстояния, нужно или увеличивать мощность передатчика в роутере или применять наружную антенну и увеличивать чувствительности по приему. Для первого и второго варианта, необходимо зарегистрировать радиочастоту.

Плата управления датчиками представляет собой контроллер, имеющий свой собственный источник питания, отличный от основного (двух аккумуляторов CSBHR 12120W). К этому контроллеру подключены оптические датчики, ультразвуковые датчики, акселерометры и прочие. Контроллер опрашивает датчики, обрабатывает данные, пришедши с них, и отсылает их на бортовой ПК. После чего, компьютер, обрабатывает данные, пришедшие с датчиков и команды управления, пришедшие по Wi-Fi от оператора, и принимает решение, выполнять эти команды или нет. Эти “Инстинкты”, должны служить гарантом безопасности во время движения робота.

Тем самым, при выходе из строя платы управления датчиками, или самих датчика, может возникнуть ситуация, когда оператор будет отправлять команды, а робот в свою очередь будет стоять на месте. Либо наоборот, оператор будет думать, что робот способен среагировать на препятствия, которые ему встретятся впереди, но робот будет их не замечать.

AX3500 Roboteq это цифровой двухканальный контроллер управления высоко-мощными двигателями. Он предназначены для преобразования команд, полученных от бортового ПК, в высокое напряжение и высокий ток на выходе для управления одним или двумя двигателями постоянного тока.

Два канала могут либо работать самостоятельно, либо вместе, чтобы задать направление и вращение робота за счет координации движений с каждой его стороны. Двигатели могут работать в открытом или закрытом режиме контура скорости.

Этот узел является основным для управления роботом, так как он напрямую управляет двигателями, преобразуя команды, пришедшие с бортового ПК в постоянный ток. При выходе из строя данного контроллера, наступает ситуация когда невозможно контролировать движение робота. В лучшем случае робот остановится и не сможет сдвинуться с места. В худшем, контроллер начнёт подавать на двигатели максимальный ток, а они в свою очередь будут выдавать максимальную мощность. “Инстинкты” описанные высшее не смогут защитить робота от столкновения или ограничить его скорость, так их расчёт происходит в бортовом ПК. Контроллер можно перепрограммировать, в зависимости от поставленной задачи. Так что, неисправности данного рода могут возникнуть по большей части из-за программных ошибок. Несмотря на большой ток, аппаратные поломки мало вероятны, так как двигатели управляются высокоэффективными управляемыми транзисторами Power MOSFET с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при 16кГц.AX3500 может работать от 12 до 40 В постоянного тока и может выдержать до 60A, обеспечивая мощность до 2400 Вт полезной мощности каждого двигателя.

Основным бортовым вычислительным узлом проектируемого робота-дозиметриста является нетбук Acer Aspire One. Как было написано выше, он обеспечивает связь оператора с роботом через Wi-Fi канал. Так же он отправляет оператору данные собранные с датчиков и видео изображение, полученное от двух видеокамер установленных на нём. Нетбук является центральным узлом системы и контролирует каждый узел в отдельности и любая проблема программного или аппаратного характера приведёт к сбою работы робота. С точки зрения безопасности, самым уязвимым местом является Wi-Fi канал, так как он ограничен по дистанции. Потеря связи оператора с роботом приведёт к неспособности управлять роботом и получать с него необходимые данные.

2. НАХОЖДЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СПОСОБА ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ РОБОТА

2.1 Обзор способов беспроводной передачи данных на большие расстояния

Основной проблемой данной реализации робота является малая дистанция передачи данных. Она связана с использованием стандартного Wi-Fi канала расположенного на ПК робота. Дальность передачи данных такого канала, на открытой местности, около 50 метров. В помещение она гораздо ниже.

Для передачи на большие расстояния, нужно или увеличивать мощность передатчика или применять наружную антенну и увеличивать чувствительности по приему.

Wi-Fi имеет многоголосную структуру, что позволяет ему работать в режиме параллельной приёма-передачи данных. Для этого Wi-Fi использует 13 каналов для передачи данных. Каналы в данном случае представляют собой частотный диапазон. Благодаря этому и работе на частоте 2.4ГГц достигается большая скорость обмена данными. Но именно из за этого Wi-Fi имеет малую дальность работы.

При проектировке любых радиопередатчиков основной характеристикой является максимальная дистанция передачи данных. Она достигается двумя вещами. Во-первых, необходимо компенсировать реактивную составляющую сопротивления (импеданс) выхода передатчика и реактивное сопротивление антенны. Второй основной характеристикой является коэффициент усиления антенны [3].

Для согласования импеданса, в радиотехнике обычно используется определённое расположение активных элементов в цепи (колебательный контур) между передатчиком и антенной. При правильном расположении этих элементов в цепи достигается резонанс частот. Этот резонанс внутренней частоты колебательного контура и частоты передаваемого сигнала значительно увеличивает амплитуду передаваемого сигнала (рис. 2.1). При достижении резонанса, импеданс последовательно соединённых индуктивности и ёмкости минимален, а при параллельном включении -- максимален. Частота, на которой происходит резонанс, определяется величинами (номиналами) используемых элементов, т.е. для каждой конкретной частоты передачи данных необходим свой колебательный контур с определёнными номиналами.

Рис. 2.1. АЧХ при резонансе частот на частоте 2.4ГГц.

Рис. 2.2. Пример конфигурации элементов колебательного контура для радио модуля CC1100 работающего на частоте 433МГц.

Резонансная частота у Wi-Fi 2.4ГГц, но Wi-Fi использует параллельную передачу данных, что подразумевает под собой использование определённого частотного диапазона. Эти частоты относительно близки к частоте 2.4ГГц, но всё же не являются резонансными. Амплитуда сигнала передаваемого на этих частотах гораздо меньше, чем на резонансной частоте, поэтому сигналы на этих частотах рассеиваются гораздо сильнее, что накладывает определённые ограничения на дальность использования Wi-Fi сигнала.

Коэффициент усиления антенны определяет, насколько децибел плотность потока энергии, излучаемого антенной в определенном направлении, больше плотности потока энергии, который был бы зафиксирован в случае использования идеального точечного источника электромагнитных волн, излучающего равномерно по всем направлениям (изотропный излучатель). Зная коэффициент усиления антенны и мощность передатчика, нетрудно рассчитать мощность сигнала в направлении главного лепестка диаграммы направленности. Так, при использовании беспроводной точкой доступа с мощностью передатчика 20 dBm (100 мВт) и направленной антенны с коэффициентом усиления 10 dBi мощность сигнала в направлении максимального усиления составит 20 dBm + 10 dBi = 30 dBm (1000 мВт), то есть в 10 раз больше, чем в случае применения изотропной антенны. Тем самым можно утверждать, что при проектировании радиопередатчика основная роль отводится антенне.

Одним из вариантов увеличения дистанции передачи данных является усиление Wi-Fi сигнала. Так как усилить электрические характеристики Wi-Fi модуля, с целью увеличения выходной мощности сигнала не представляется возможным, то единственным вариантом усиления Wi-Fi сигнала является увеличение коэффициента усиления антенны

В плане использования все антенны для Wi-Fi-устройств можно условно разделить на два больших класса: антенны для наружного (outdoor) и для внутреннего применения (indoor). Отличаются эти антенны, прежде всего своими габаритами и коэффициентом усиления. Естественно, антенны для наружного использования больше по размерам и предусматривают форму крепления либо к стене дома, либо к вертикальному столбу. Высокий коэффициент усиления в таких антеннах достигается за счет малой ширины диаграммы направленности (главного лепестка). Внешние антенны применяются, как правило, для связи двух беспроводных сетей, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Две такие антенны устанавливаются в зоне прямой видимости, и в данном случае важно, чтобы каждая из них находилась в зоне главного лепестка диаграммы направленности другой антенны.

Антенны для внутреннего использования меньше по размерам и обладают более низким коэффициентом усиления. Такие антенны либо устанавливаются на столе, либо крепятся к стене или непосредственно к точке доступа.

К самой точке доступа, антенны, могут подсоединяться либо напрямую, либо с помощью кабеля. При этом, для подсоединения антенны или кабеля к точке доступа предусмотрен специальный миниатюрный SMA-разъем.

Все направленные антенны устроены примерно одинаково и очень просто. Если антенна относится к панельному типу, то ее конструкция включает экран и излучатель, выполненный в форме прямоугольника и установленный на некотором расстоянии от экрана. Различия между антеннами заключаются лишь в размерах излучателя и экрана, а также в расстоянии между ними. В антеннах, предназначенных для использования внутри помещений, имеется один излучатель, а антенны, предназначенные для применения вне помещений, могут содержать несколько излучателей.

Стоит отметить, что стоимость всех антенн для внутреннего использования явно завышена -- средняя цена на рынке около 3500р.

Антенны для внешнего использования не применима в нашем случае из-за своих габаритов.

Ещё одним вариантом для передачи данных является использование радиоканала построенного на основе радио модуля реализованного в виде микросхемы.

Чуть ранее, была рассмотрена работа Wi-Fi канала. Из неё можно сделать вывод, что для передачи сигнала лучше использовать одну частоту чем диапазон частот. Из-за этого радио модуль медленнее передаёт информацию, но в то же время на большие дистанции. Современные радио модули могут передавать сигнал до 2 км на открытом пространстве при допустимых мощностных характеристиках, не требующих лицензирования данного устройства. Такие возможности достигаются только при правильном выборе антенны с колебательным контуром, которые подключаются к радио модулю.

Современные радио модули предоставляют пользователю большой выбор радиочастот, в которых они могут работать. Они могут работать, как в режиме передачи данных, так и в режиме приёма. Стандартный радио модуль подключается с одной стороны к антенне, а с другой, либо к модулю последовательной приёмопередатчи данных (UART), либо к последовательному периферийному интерфейсу (SPI). Эти интерфейсы широко распространены в современных микроконтроллерах, так что использование радио модулей не представляет особого труда.

На основе всего вышесказанного было принято решение реализовать два устройства для дополнительного контроля робота. Эти устройства представляют собой два контроллера: контроллер оператора и бортовой контроллер. Контроллер оператора, должен будет предоставлять пользователю информацию о текущем состоянии робота и возможность для управления роботом. Бортовой контроллер должен будет отслеживать текущее состояние робота. Он должен быть установлен на роботе между ПК и контроллером управления двигателями. Такое расположение позволит управлять роботом при отключении основных узлов, таких как контроллер управления датчиками или бортовой ПК. Каждый контроллер должен иметь свой источник питания. Такой подход позволит сделать нашу систему энергонезависимой от уже имеющихся источников питания. Поскольку он будет подключён к своему источнику, разрядка любого аккумулятора данной системы не приведёт к выключению данного устройства. Обмен данными между этими контроллерами будет происходить по радиоканалу, так как в отличие от остальных возможных вариантов только он способен передавать сигнал на большие расстояния при низком энергопотреблении. Общая структурная схема «Робота-дозиметриста» приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Общая структурная схема «Робота-дозиметриста»

2.2 Основные требования к контроллерам

Контроллер оператора, (или пульт управления) должен представлять собой портативное устройство с помощью которого, пользователь, может в любой момент времени получить необходимые данные о состоянии робота и ”перехватить” управление роботом. Он должен удовлетворять следующим требованиям:

* Наличие дисплея;

* Набор клавиш;

* Наличие радиоканала;

* Собственный источник питания.

Бортовой контроллер представляет собой устройство, которое располагается между ПК и контроллером управления двигателями. Он позволяет прервать управление двигателями со стороны ПК и управлять ими самостоятельно.

Основными требованиями к данному контроллеру являются:

* Наличие USB-порта;

* Наличие COM-порта;

* Наличие радиоканала;

* Собственный источник питания.

Данное расположение бортового контроллера позволит отключить контроллер управления двигателями от основных вычислительных узлов таких как, бортовой ПК и контроллер управления датчиками.

Функциональная схема подсистемы управления представлена на рис.2.4.

Рис. 2.4. Функциональная схема подсистемы управления

3. РАЗРАБОТКА АППАРАРАТНОЙ ЧАСТИ КОНТРОЛЛЕРА ОПЕРАТОРА И БОРТОВОГО КОНТРОЛЛЕРА

Проектировка печатных плат, в данной работе, производилась с нуля. Проектировка производилась в редакторе печатных плат P-CAD 2006 [1]. Это многофункциональная, профессиональная программа для пошагового проектирования и разработки печатных плат любой сложности и проектирования аналоговых, цифрово - аналоговых и аналогово-цифровых устройств. Разработка печатных плат состояла из двух этапов:

- разработка принципиальной схемы устройства;

- размещение компонентов и трассировка платы.

3.1 Проектирование принципиальной схемы контроллера оператора

При проектировании контроллера оператора мы отталкивались от основных задач, которые он должен будет выполнять, а именно:

- Передача сигнала по радио каналу;

- Наличие интерфейса для пользователя;

- Наличие автономного источника питания;

- Компактность.

Из этого списка требований можно сделать вывод, что основные устройства, которые нам понадобятся это:

- LCD дисплей, для вывода необходимой информации пользователю

- Набор кнопок (возможно кнопочная клавиатура) для предоставления пользователю возможности ввода необходимой информации;

- Радио модуль для обеспечения работы с радиоканалом;

- Микроконтроллер, имеющий в своём наличии необходимый нам минимум, а именно: АЦП для обеспечения контроля энергопитания, порты ввода\вывода, последовательный интерфейс для взаимодействия с радио модулем и LCD модуль;

- Источник питания.

На современном цифровом рынке есть большое количество различных компаний, таких как Atmel, Texas Instruments, Microchip, Fujitsu и т.д., которые производят, как и цифровые устройства, так и сами цифровые компоненты. Практически у всех этих компаний есть различные линейки микро контроллеров, которые всецело удовлетворяют нашим требованиям. Цены у этих микроконтроллеров тоже не слишком разнятся. Поэтому, вопрос выбора микроконтроллера всецело упирается в предпочтения разработчика, если конечно в задании чётко не указано на каком конкретном микроконтроллере производить разработку.

В связи с этим, мною был выбран микроконтроллер CC430F6137 компании Texas Instruments (рис 3.3). Его основные технические характеристики:

* 16-разрядный микроконтроллер пониженной мощности;

* 32КБ Flash-памяти;

* 4КБ RAM;

* CC1101 радио модуль;

* 12 разрядный АЦП;

* LCD модуль.

Как видно из данных характеристик микроконтроллера, он всецело удовлетворяет нашим требованиям, даже с избытком. Он потребляет очень мало электроэнергии за счёт возможности управления внутренней частотой его работы и так же в процессе работы его можно перевести в режим «сна». В этом режиме, ЦПУ микроконтроллера перестаёт выполнять исполнительный код программы, записанный в него, но не отключает контроллер прерываний. Можно сказать, что в данном случае ЦПУ микроконтроллера просто перестаёт работать, до момента, когда на него поступит какое-нибудь прерывание извне. Данная особенность микроконтроллера позволяет нам отказаться от использования миниатюрных аккумуляторов, которые должны были нам дать необходимые электрические мощности, и перейти на использование обычной пальчиковой батарейки. Для согласования электрических мощностей потребляемых системой и возможностей предоставляемой батарейкой был применён повышающий источник напряжения TPS61006, о котором будет написано чуть ниже.

Так же внутрь микроконтроллера был встроен уже готовый радио модуль СС1100.

CC1100E является суб-ГГц приемопередатчиком высокой производительности, потребляющим очень мало мощности для работы. Он предназначен для устройств ближнего радиуса действия с частотными полосами 470-510 МГц в и 950-960 МГц.

Рис.3.1.Принципиальная схема колебательного контура для контроллера оператора

В CC1100 трансивер встроен настраиваемый модем для работы с частотным диапазоном. Модем поддерживает различные формы модуляции и имеет настраиваемые скорости передачи данных до 500 кбод. Колебательный контур для данного радио модуля подробно описан в сопровождающей документации на микроконтроллер CC430F6137.

Для отображения необходимой информации предоставляемой пользователю был выбран LCD дисплей TC20297A-00. Его основные технические характеристики:

* Может отображать 8 цифр состоящих из 9и сегментов;

* 24 основных контакта и 3 управляющих;

* рабочее напряжение 3.5.

Микроконтроллер CC430F6137 имеет модуль для работы с LCD дисплеями. В его состав входят 34обычных выхода и 4 выхода управления. Этот набор выходов позволяет использовать все необходимые сегменты выбранного дисплея.

Для предоставления пользователю возможности ввода необходимой информации рассматривался вариант использования кнопочной клавиатуры. Но самая маленькая такая клавиатура использует как минимум 9 контактов ввода\вывода микроконтроллера. Поэтому было принято решение использовать обычные кнопки, собрав их в виде матрицы [5]. Такой подход позволил подключить 6 кнопок, используя всего 5 контактов ввода\вывода микроконтроллера. Данную реализацию модуля ввода можно считать миниатюрной кнопочной клавиатурой.

В качестве основного источника питания было принято решение использовать обычную пальчиковую батарейку. Для согласования электрических мощностей потребляемых системой и возможностей предоставляемой батарейкой был применён повышающий источник напряжения [8] TPS61006 (рис 3.2). Данный преобразователь напряжения позволяет регулировать выходное напряжение от 1,5В до 3,3В максимум и обеспечивает минимальный выходной ток 100 мА, с одной батареей и 250 мА от двух гальванических элементов. Преобразователь запускается в полной нагрузке с напряжением питания 0,9В и остается в работе с напряжением питания 0,8 В.

Рис.3.2.Принципиальная схема повышающего источника напряжения для контроллера оператора

Все остальные элементы, включённые в схему, были добавлены в соответствии с технической документацией и являются элементами типовой схемы включения для основных компонентов, таких как CC430F6137, TPS61006, TC20297A-00.

3.2 Проектирование принципиальной схемы бортового контроллера

При проектировании бортового контроллера мы отталкивались от основных задач, которые он должен будет выполнять, а именно:

- Передача сигнала по радио каналу;

- Наличие необходимых интерфейсов для взаимодействия с узлами робота;

- Наличие автономного источника питания;

Из этого списка требований можно сделать вывод, что основные устройства, которые нам понадобятся это:

- USB интерфейс;

- Интерфейс для COM - порта;

- Радио модуль для обеспечения работы с радиоканалом;

- Микроконтроллер, имеющий в своём наличии необходимый нам минимум, а именно: АЦП для обеспечения контроля энергопитания, порты ввода\вывода, два или более последовательных интерфейсов для взаимодействия с радио модулем и внешними последовательными интерфейсами (USB и COM);

- Источник питания.

В качестве используемого микроконтроллера был выбран MSP430F147 (рис.3.10). Его основные характеристики:

• 16-разрядный микроконтроллер пониженной мощности;

• 32 КБ Flash-памяти;

• 1КБ RAM;

• 12 разрядный АЦП;

• 2 USARTs (универсальный асинхронный приёмопередатчик).

Поскольку данный микроконтроллер имеет всего два универсальных асинхронных приёмопередатчика, один из которых постоянно должен будет использоваться для взаимодействия с радио модулем, то необходимо будет использовать специальную систему коммутации, для того что бы мы смогли пользоваться USB и COM интерфейсами используя всего один USARTs.

Данная система коммутации позволяет перехватывать все сообщения в обоих направлениях и аппаратно отключать/включать внешние интерфейсы. Так же, при выключенном микроконтроллере наша система сможет работать как обычный преобразователь типа USB - COM. Для реализации этой системы коммутации были использованы аналоговые ключи TS3A5017. Это двойной четырёх-канальный аналоговый мультиплексор, предназначенный для работы от 2,3 В до 3,6 В. Это устройство может работать как с цифровыми, так и аналоговыми сигналами, и сигналы до V + могут быть переданы в любом направление (рис.3.5).

В качестве радио модуля был выбран СС1100 (рис.3.6). Это было сделано, поскольку этот модуль уже используется у нас в контролере оператора. Такое решение позволит уменьшить затраты по согласованию настроек радиоканала. Колебательный контур для данного радио модуля подробно описан в сопровождающей документации на микроконтроллер CC1100.

В качестве контроллера USB [14] был выбран FT232RL (рис.3.5). Его основные характеристики:

• одночиповый переходник из USB в асинхронный последовательный интерфейс передачи данных (UART);

• протокол USB полностью реализован в микросхеме;

• интерфейс UART поддерживает режимы передачи 7 и 8 бит данных, 1 и 2 стоповых бита, различные режимы контроля четности;

• скорости передачи от 300 бод до 1 мегабод для RS-232;

В качестве преобразователя UART - COM [13] был выбран ADM232 (рис.3.5). Он представляет собой высокоскоростной преобразовательRS-232 и предоставляет скорость передачи данных до 200 Кб / с. Работая от одного +5В питания. Имеет в своём наличии два порта приёма/передачи RS-232.

USB интерфейс имеет линию питания +5В, поэтому он может служить основным источником питания. Но поскольку для работы радио модуля CC1100 и микроконтроллера MSP430F147 нужно напряжение +3В то нам необходимо использовать преобразователь напряжения с +5В до +3В. В качестве такого преобразователя был выбран L78L00 (рис.3.7). Его основные характеристики:

• Выходной ток до 100 мА;

• Выходное напряжение3,3;

• Тепловая защита от перегрузки.

Рис.3.7. Принципиальная схема понижающего источника напряжения для бортового контроллера

Поскольку не каждый USB разъём может предоставлять линию электропитания, то необходимо использовать ещё и свой внутренний источник питания. В качестве внутреннего источника питания было принято решение использовать обычную пальчиковую батарейку. Для согласования электрических мощностей потребляемых радио модуля CC1100 и микроконтроллером MSP430F147 и возможностей предоставляемой батарейкой был применён повышающий источник напряжения TPS61006 (рис.3.8). О этом преобразователе напряжения было рассказано в предыдущем параграфе.

Рис.3.8. Принципиальная схема повышающего источника напряжения для бортового контроллера

Для согласования электрических мощностей потребляемых микросхемами FT232RL и ADM232 и возможностей предоставляемой батарейкой был применён повышающий источник напряжения TPS61200 (рис.3.9).

Его основные характеристики:

• Более 90% КПД при,

- 300 мА выходной ток 3,3 V (VIN ? 2,4 В);

- 600 мА выходной ток при 5 В (VIN ? 3 В);

• Выходной ток не менее 55 мкА;

• Запуск при Входном напряжении 0.5В;

• Рабочий диапазон входного напряжения от 0,3 В до 5,5 В;

• Выходная защита от короткого замыкания при любых условиях эксплуатации;

• Фиксированные и регулируемые параметры выходного напряжения от 1,8В до 5,5 В;

• Режим энергосбережения для повышения эффективности при низкой выходной мощности;

• Защита от перегрева;

Рис.3.9. Принципиальная схема повышающего источника напряжения для бортового контроллера

Так же для обеспечения более удобной отладки плат в схему были введены некоторые дополнительные элементы , такие как: 2 кнопки, 2 свето-диода и 5 выводных портов подключённых к не подключенным ножкам микроконтроллера и ножкам коммутационных аналоговых мультиплексоров.

Все остальные элементы, включённые в схему, были добавлены в соответствии с технической документацией и являются элементами типовой схемы включения для основных компонентов, таких как CC430F6137, СС1100, FT232RL, ADM232, TPS61006, TPS61200, L78L00

3.3 Трассировка печатных плат

Трассировка печатных плат очень аккуратная и тонкая работа в связи, с которой установлен ряд правил. Но большинство из этих правил относятся к ВЧ, СВЧ схемам, и схемам, имеющим в своём наличии линии по которым идут высокие токи или напряжение. В случае обычных цифровых схем, правил не так много.

• Минимальное расстояние между проводниками 0,3мм;

• При разводке линий нельзя допускать прямых или острых углов;

• Длинна сигнальных линий, должна быть как можно короче;

• Количество переходных отверстий на сигнальных линиях должно быть как можно меньше;

• Длинна линий питания может быть любой;

• Количество переходных отверстий на линии питания может быть любым;

• Если элемент имеет металлический корпус, то он должен быть заземлён;

• Нельзя допускать открытие маски на медных элементах платы.

Для формы линий тоже есть свои правила.

• Стандартная ширина сигнальной линии 0.25мм;

• Стандартная ширина линии питания 0.50мм, но можно и больше.;

Что касаемо линий питания, чем они шире, тем лучше. Обычно их стараются делать шириной 1.0мм.

Также необходимо стараться оставить больше количество меди на плате, так как при производстве печатных плат медь стравливают с платы. А чем больше нужно вытравить меди, тем дороже плата. Лишние и не нужные медные площадки, обычно становятся «землёй». Такой подход не ухудшает качество платы, а наоборот увеличивает его, так как отрицательный заряд равномерно распределяется по медной площадке. Именно для того что бы заряд равномерно распределялся по площадкам необходимо «прошивать» эти площадки большим количеством переходных отверстий.

В данной работе было использовано два вида переходных отверстий:

• C10D05 диаметр контактной площадки 1.0мм, диаметр отверстия 0.45мм (стандартное переходное отверстие)

• C06D03 диаметр контактной площадки 0.60мм, диаметр отверстия 0.30мм

C06D03 использовались только при трассировке платы контроллера оператора.

В качестве излучателя электромагнитных волн для радио канала, было принято решение использовать печатную антенну [12] для 868МГц компании CCIPCON. Реактивное сопротивление антенны на входе 50ohm. График пропускной способность при настройке антенны на частоту 868МГц представлен на рис.

Рис.3.11.Пропускная способность при настройке антенны на частоту 868МГц.

Чертёж антенны с линиями для колебательного контура представлен на рис.3.12.



Рис.3.12.Чертёж антенны с линиями для колебательного контура

Разработка печатной платы контроллера оператора производилась с учётами размеров корпуса BOS 400 компании BOPLA (рис.3.13). Чертёж корпуса представлен на рис

В дальнейшем, с учётом всех вышесказанных правил, была произведена трассировка печатной платы контроллера оператора и бортового контроллера (Рис.3.14 - 3.17).

Итоговые размеры плат составляют:

- Для платы контроллера оператора длинна75.5мм ширина 56.5мм

- Для платы бортового контроллера длинна 92.0мм ширина 82.0мм



Рис.3.13.Чертёж пластикового корпуса BOS 400 компании BOPLA

Рис.3.14.Печатная плата контроллера оператора (вид сверху).

Рис.3.15.Печатная плата контроллера оператора (вид снизу).

Рис.3.16.Печатная плата бортового контроллера (вид сверху).

Рис.3.17.Печатная плата бортового контроллера (вид снизу)

4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАМНОЙ ЧАСТИ КОНТРОЛЛЕРОВ

Микроконтроллеры MSP430F147 [7] и CC430F6137 [8] имеют ряд библиотек для работы с модулями, которые входят в их состав. Эти библиотеки позволяют программисту легко управлять сложными процессами внутри микроконтроллера благодаря набору функций. Среди этих функций есть таки, как приём/отправка сообщений на UART, SPi. Так же в CC430F6137 есть набор функций для работы с LCD и радио модулем. Так что основными задачами при разработке программной части контроллеров были:

- Разработка протокола для гарантированной доставки сообщений по радиоканалу;

- Разработка основного цикла программы;

- Разработка программы обработчика прерываний.

4.1 Алгоритм взаимодействия контроллеров

Сразу стоит сказать, что разрабатываемый нами протокол нужен нам по тому, что передача сообщений будет проходить в незащищённой, зашумлённой среде. Протокол будет гарантировать нам целостность данных при их отправке и то, что данные будут обязательно получены. Так же протокол обмена позволит нам получать данные только от того кто их нам послал, а это нам необходимо потому что частота 868МГц общедоступна и на ней работает очень много устройств. Но перед тем как разрабатывать протокол нам необходимо разработать формат данных, которые будут передаваться по радио каналу, и отработать все возможные варианты, из-за которых могут возникнуть ошибки.

4.1.1 Формат пакетов

Передача данных по радиоканалу довольно сложный процесс, поскольку среда передачи может быть довольно сильно зашумлена, поэтому данные могут не дойти до получателя или дойти, но не целыми. По этому, чем меньше длинна пакета при передаче, тем меньше вероятность того что но испортится до момента получения или вообще не дойдёт. Так что длинна пакета будет играть ключевую роль в дальнейшем его проектировании.

Основное что должно быть в нашем пакете, это адреса, отправителя и получателя. Благодаря им мы сможем отсеивать ненужные пакеты и обрабатывать только те, которые предназначались нам.

Каждый микроконтроллер семейства MSP430 и СС430 компании Texas Instruments содержит уникальный номер, расположенный во флеш-памяти по адресу 0xff00. Он имеет длину в 10 байт. Этот номер и был взят за основу адреса устройства.

Так же при передаче нам понадобятся флаги, с помощью которых мы сможем контролировать этапы передачи данных. На первых этапах нам понадобятся:

• Флаг подтверждения передачи ACK

• Флаг ошибки при передаче ERR

• Флаг установки соединения .INIT для обмена адресами.

Под эти флаги отводится 1 байт. Тем самым у нас остаётся ещё 5 бит зарезервированных для особых нужд.

Что бы следить за последовательным ходом работы при передачи пакетов, и контролировать потерю пакетов так же была введена числовая последовательность. Под неё выделяется один 1. Если

Для проверки целостности передаваемых данных, нам нужно передавать контрольную сумму. Для вычисления контрольной суммы был использован алгоритм для вычисления циклических избыточных кодов CRC16. Помимо этого с помощью этого кода можно узнать в каком месте пакета была произведена ошибка и восстановить повреждённые данные. Использование этого кода поможет свести к минимуму использование «битых» пакетов. Но всё равно остаётся одна опасная ситуация когда, одновременно повреждается пакет и контрольная сумма. Таким образом, система может посчитать пакет достоверным.

Под запись контрольной суммы полученной с использованием CRC16 отводится 2 байта.

Так же нам необходимо передавать данные в пакете. Поскольку у нас есть LCD дисплей, который нужен для отображения пользователю информации о системе, то нам необходимо передавать данные такого размера что бы на дисплее могло отобразиться максимально возможное число. Поскольку дисплей имеет 8 цифровых позиций, то максимальное число = 99999999. В шестнадцатеричном коде оно равно 5F5E0FF. Данное значение занимает 4 байта. Так же, под данные было отведено ещё 2 байта, для передачи кодов позволяющих, определить ,для чего нужны и что обозначают 4 последующих байта.

Таким образом, длинна нашего пакета ровна 30 байтам и имеет структуру изображённую на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Формат пакета данных при передаче по протоколу гарантированной доставке сообщений по радиоканалу

4.1.2 Протокол обмена данными

При разработке алгоритмов протокола гарантированной доставки сообщений по радиоканалу были рассмотрены алгоритмы протокола TCP

Transmission Control Protocol (TCP) (протокол управления передачей) -- один из основных сетевых протоколов Интернета, предназначенный для управления передачей данных в сетях и подсетях TCP/IP.

TCP -- это транспортный механизм, предоставляющий поток данных, с предварительной установкой соединения, за счёт этого дающий уверенность в достоверности получаемых данных, осуществляет повторный запрос данных в случае потери данных и устраняет дублирование при получении двух копий одного пакета.

Рис4.2.Стандартная работа алгоритма гарантированной доставки сообщений

В нашем протоколе, так же как и в TCP будет использоваться подтверждение приёма сообщения и подсчёт количества отправленных сообщений. Такой подход позволит узнать, дошёл ли пакет до получателя или нет.

Рис.4.3. Этапы нормальной работы протокола ГДС

Рис. 4.4. Этапы установления соединения по протоколу ГДС.

Основные функции, которые будет выполнять протокол гарантирован-ной доставки сообщений (ГДС) при обычной работе, изображены на рис. 4.2.

Работа протокола ГДС при обычной передаче сообщения представлена в несколько этапов (рис.4.3):

Этап 1.Сначало, инициатор передачи (1) отправляет пакет в котором указан адрес отправителя А1, адрес получателя А2, числовую последовательность ЧП, контрольную сумму CRC и сами данные. Поле флагов равно 0. После отправки пользователь 1 переходит в сон, дожидаясь подтверждения о доставке.