Схемотехника мобильного робота типа "Шагающий" с выделенной функцией обнаружения объекта на базе средств автоматизированного проектирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление:

Введение

1. Аналитическая часть

1.1 Шагающие роботы

1.2 Назначение шагающих роботов, роботы-андроиды

2. Функции обнаружения объектов в робототехнике

2.1 Машинное зрение

2.2 Электромагнитное зрение роботов на основе терменвокса

2.3 Датчик препятствий на ИК лучах

2.4 Виды ИК датчиков

3. Проектные решения

3.1 Концептуально-функциональная модель

3.2 Функциональная схема робота типа “шагающий” с функцией обнаружения объекта

3.3 Проектирование устройств робота

3.3.1 Шагающий механизм

3.3.2 Датчик обнаружения

3.4 Проектирование печатной платы устройства

3.5 Расчет необходимых параметров с применением математических редакторов

3.6 Программное обеспечение

4. Практическое применение робота типа шагоход с функцией обнаружения объекта

Заключение

Список использованной литературы



Введение

С каждым годом в мире возникает все больше ситуаций, требующих от людей выполнения самых разнообразных работ в тяжелых, опасных, а подчас и несовместимых с жизнью условиях. В ответ появляются все новые средства экстремальной робототехники. Правда, в своем большинстве они очень похожи друг на друга. Как правило, для выполнения задач на суше это самоходное колесное или гусеничное шасси с установленными на нем манипулятором, средствами наблюдения или другим оборудованием. Управление осуществляется дистанционно по радио или кабелю, а питание от аккумуляторов или также по кабелю. Эти роботы создаются уже не один десяток лет. Сложившимися за это время коллективами накоплен большой опыт по их разработке и применению, в ряде случаев весьма эффективному.

Однако нельзя отрицать, что такая техника имеет (как и любая другая) ограниченные возможности и, соответственно, сферы применения. И как прежде, люди, рискуя здоровьем и жизнью, работают в завалах, на пожарах, в условиях химического, биологического и радиоактивного заражения, борются с преступниками и террористами. Причем, чаще всего все это происходит не в чистом поле, а в зданиях и различных сооружениях, кабинах и помещениях различной техники, т.е. в условиях, изначально созданных для человека, с учетом его двурукости, двуногости, типичных размеров, массы и, если можно так сказать, кинематики тела. По этой причине развиваются и другие направления экстремальной робототехники. Создаются средства с самой разнообразной кинематикой и размерами исполнительных механизмов. Существенно различаются они и по динамическим, и по энергетическим характеристикам. В качестве одного из таких средств может использоваться робототехнический комплекс, включающий в себя антропоморфный двуногий шагающий робот (ДШР) и мобильный пост управления. ДШР по кинематике, размерам и массе аналогичен человеку, снабжен автономным источником энергии, средством связи с постом управления, а также мощной системой управления, позволяющей выполнить некоторые действия в супервизорном или автоматическом режиме (например самостоятельный выход с места работ при отсутствии связи). Такой робот может иметь значительные преимущества в среде, приспособленной для человека, и использоваться в различных сферах деятельности. Наиболее часто шагающие роботы используются в военной сфере деятельности, но в будущем, скорее всего применение их в быту станет обыденностью.

Объектом исследования выступает использование различных систем и средств, при разработке и моделировании объектов автоматизации

Предмет исследования является мобильный робот типа “Шагающий” c функцией обнаружения объекта

Актуальность темы обуславливается необходимостью автоматизации проектирования выбранного объекта.

Цель исследования курсового проекта: Схемотехника мобильного робота типа “Шагающий” с выделенной функцией обнаружения объекта на базе средств автоматизированного проектирования.

Новизна курсового проекта обеспечивается информационным подходом при выборе моделей в программных средах, которые отражают основные характеристики объекта проектирования.

Практическая значимость работы состоит в том, что основные положения курсовой работы сформулированы в виде рекомендаций и отчетов, которые могут быть использованы в дальнейшем проектировании реальных систем.

В курсовой работе используются научные и технические источники по направлениям автоматизации проектирования устройств и систем



1. Аналитическая часть

1.1 Шагающие роботы

Шагоходы или шагающие роботы -- разнообразные механизмы, передвигающиеся с помощью ног.

Современные управляемые при помощи компьютера шагающие роботы и другие машины с различным количеством ног создают практически во всех промышленно развитых странах мира. Настоящее восхищение вызывают, например, японский робот-андроид Asimo или американский четырехногий военный робот “BigDog” (рис. 1).

Рис. 1 - Робот-шагоход“Big Dog”

Шагающие роботы представляют собой класс роботов, имитирующих передвижение животных или насекомых. Как правило, для передвижения роботы используют механические ноги. Передвижение с помощью ног насчитывает миллионы лет истории. По контрасту, история передвижения с помощью колеса началась от 10 до 7 тысяч лет назад. Колесное передвижение достаточно эффективно, но требует наличия относительно ровных дорог. Достаточно взглянуть на аэрофотосъемку города или его пригородов, чтобы заметить сеть переплетающихся дорог.

В отличие от колесных и гусеничных машин, шагающий аппарат при движении использует для опоры лишь некоторые участки поверхности. Поэтому он существенно меньше повреждает почвенный покров, что может оказаться важным для экологии некоторых районов (например, тундры). Однако указанные преимущества шагающего аппарата определяют его высокую сложность и большое энергопотребление. Аппарат имеет большое число управляемых степеней свободы, т.е. количество углов, определяющих положения звеньев всех ног. А это приводит к сложным конструкциям, использованию высокоэффективных приводов, специальному строению стоп, рассеивающих энергию удара, и т.д. Система управления должна обеспечить обработку информации о местности, принятие решений о характере движения, контроль за их выполнением. Именно создание системы управления аппаратом ? центральная проблема шагающего робота. Существующие виды приводов по своим качествам все еще уступают двигательным аппаратам животных и человека.

Для одного из первых в мире шагающих аппаратов, созданных в Институте механики МГУ в 70-е годы прошлого столетия, была выбрана схема «шестиножки» (рис.).

Рис. 2. Робот-шагоход “Шестиножка”

В качестве биологического аналога робота использовался рыжий таракан (пруссак). Ноги таракана ? это универсальный биологический объект изучения для создания шагающей машины. Бег таракана можно проследить с помощью кинокамеры. Для этого таракана помещают в стеклянную пробирку и, закрепив ее, снимают бегающего таракана кинокамерой. Основным типом походки таракана является походка 3-3 (трешками). Он идет так, что всегда опирается на три ноги, образующие опорный треугольник, внутри которого располагается центр тяжести его тела. Это существенно облегчает проблему устойчивости, так как опор аппарата на три ноги оказывается устойчивым.

Каждая конечность робота имеет три степени свободы и приводится в движение с помощью трех двигателей с редукторами. На конечностях установлены позиционные датчики, измеряющие углы поворота звеньев ноги друг относительно друга. Система управления двигателями шагающего аппарата построена по иерархическому принципу. Она создает управляющие сигналы, обеспечивающие движение аппарата с автоматической приспосабливаемостью к малым неровностям поверхности по командам оператора (или верхнего уровня), задающего основные характеристики ходьбы и движения корпуса аппарата (например, ходьба вперед, назад, вбок, разворот на месте и т.п.).

После появления «шестиножки» в Институте механики МГУ, которая получила имя «МаШа» (МАшинаШАгающая), началось своего рода соревнование между США и СССР, что было нормально для того времени. В ответ на «МаШу» американцы предложили свою версию шестиногого робота. Позже стали появляться и другие шестиногие роботы, например построенные в Германии.

«МаШа» содержала много пионерских научных решений, опередивших свое время, и дала начало созданию умных роботов с иерархической системой управления. Она может действовать самостоятельно, выбирая себе путь по пересеченной местности. Оказалось, что без информации о силах и моментах сил, возникающих между ногами и подстилающей поверхностью, организовать «гладкое» управление ходьбой практически невозможно. С этой целью была разработана система так называемых тактильных датчиков, которые снимают информацию о возникающих силах и посылают ее в систему управления робота. Только благодаря этому можно организовать плавное, а не толчками, движение робота.

В 2005 году в США был создан четырехногий робот «Биг Дог» (Большая собака). Этот робот может ходить, бегать и прыгать, преодолевать пересеченную местность, он прекрасно перемещается и по снегу, и по камням, и по грязи. За счет хорошо организованной системы управления он очень устойчив: если его толкнуть, то он, подобно человеку или животному, переставит ноги и не упадет. Энергию роботу дает бензиновый мотор, приводящий в действие гидравлическую систему. Ноги робота в точности скопированы с конечностей животных. В их конструкцию включены амортизаторы, гасящие энергию удара. Длина робота 1 м, рост 70 см, вес 75 кг, что соответствует размерам крупной собаки.

Робот снабжен бортовым компьютером, управляющим передвижением в соответствии с окружающей обстановкой. Многочисленные датчики позволяют оператору робота отслеживать его местоположение, расположение своих и вражеских сил, контролировать состояние бортовых систем робота. «Киберсобака», которая будет «служить» в морской пехоте США, может идти со скоростью 5 км/ч и преодолевать подъемы и спуски до 35°. Она может нести вооружение или иной полезный груз общей массой свыше 40 кг.

Не менее богатую историю, по сравнению с другими шагающими механизмами, имеют и двуногие машины. Так, в 1972 году в Институте механики МГУ разработали модель робота, которая получила имя «Рикша». В движение она приводилась с помощью двух ног и одновременно имела еще и два колеса сзади (отсюда и произошло название робота). Но главной задачей было создание человекоподобного (антропоморфного) робота. Основная проблема и сложность управления двуногой ходьбой заключается в необходимости придания устойчивости неустойчивой конфигурации, которая при выключенном управлении не может быть реализована. Например, «выключение» вестибулярного аппарата человека даже на одну секунду приводит к его падению.

В 1976-82 годах в Институте механики МГУ исследовали механико-математическую модель двуногого робота, представляющего собой плоский пятизвенный механизм, который состоит из корпуса и двух идентичных двухзвенных ног. Ходьба аппарата, как и человека, представляет собой последовательность чередующихся одноопорной и двухопорной фаз. В одноопорной фазе аппарат опирается на одну ногу (опорную), другая нога при этом переносится. В двухопорной фазе он опирается на обе ноги. Одноопорное движение считается баллистическим (пассивным), т.е. это движение происходит по инерции. На аппарат действуют только сила тяжести и, разумеется, силы реакции опоры. А вот приложение каких-либо активных воздействий (моментов сил) в шарнирах («суставах») механизма происходит в двухопорной фазе. При ходьбе человека фаза двойной опоры занимает примерно 20% времени всего шагового цикла, в рассмотренной же модели робота двухопорная фаза считается мгновенной. В 1990-х годах были сконструированы два макета двуногого шагающего робота: один с двумя телескопическими ногами, другой ? антропоморфный, и разработаны алгоритмы управления ими на основе предложенного метода баллистического управления ходьбой.

1.2 Назначение шагающих роботов, роботы-андроиды

Шагающие роботы могут передвигаться по пересеченной местности, недоступной для обычных колесных средств. С подобной целью обычно и создают шагающих роботов.

Японские разработки TITAN III и TITAN IV принадлежащие Токийскому технологическому институту (Tokyo Institute of Technology) - одни из первых шагающих механизмов с искусственным интеллектом, позволяющим преодолевать несложные препятствия. Так, TITAN IV в 1985 году в Government Pavilion of the Science Exhibition at Tsukuba в полугодовой период опытов прошел около 40 километров по поверхности с тремя степенями сложности. Эта модель весила около 160 килограмм, а длина одной ноги (всего их было шесть) составляла около 1 м 20 см. Причем интересно, что такая махина развивала скорость 40 см/с. TITAN IV был прототипом для множества последующих разработок японских изобретателей.

Начиная с этого момента, шагающие роботы стали разрабатываться и для практических целей, например, для исследования морских глубин. Акваробот (Aquarobot) разрабатывался в лаборатории роботов в Port Harbour Research Institute Министерства транспорта Японии на протяжении четырех лет (1985-1989).

Расстановка сил среди стран, конструирующих шагающие механизмы, несколько изменилась. В основном, это связано с тем, что ушли русские (у нас тогда, если вы помните, началась перестройка, а потом развал СССР), но при этом достаточно интересные разработки стали появляться и в Англии, в 90-х присоединилась Канада. А лидерами стали, конечно же, японцы и американцы.

Если не говорить о шагающих роботах, а только об их конечностях, то можно найти еще одно применение данным разработкам, а именно - в медицине. В 1948 году русский профессор Н.А. Бернштейн нарисовал человека с протезами, повторяющими скелет ноги, но с электрическими двигателями, что являлось разработкой НИИ Протезии. Стоит отметить, что сразу после войны это было очень насущным изобретением, к сожалению, не имевшим практического продолжения в будущем. В 60-е годы General Electric развила данную идею, но в варианте полноценного скелета с гидравлическим управлением. Точно такая же попытка была и с русской стороны в России (Ленинград, 1970 год).

Двуногие машины имеют не менее богатую историю, по сравнению с другими шагающими механизмами. Но исторический обзор начнем с 1964 года, когда ленинградскими учеными была создана кинематическая модель Чебышева с двумя ногами. Советские ученые внесли не очень большую лепту в историю создания двуногих машин. Так, в 1990 году в Москве профессором Формальским и доктором Ленским была создана модель двуногого робота, очень похожего внешне на данную кинематическую модель. Но такого прогресса в данной сфере разработок, как в Японии, в СССР, конечно, не было.

В 1969 году Иширо Като (Япония) показал миру антропоморфный двуногий механизм WAP-1. Интересным в данной разработке было то, что мышцы сделаны из резины или каучука и устройство приводилось в движение с помощью пневматики за счет воздействия на "искусственные мускулы". Это очень новаторская идея, которая совмещает в себе и простоту, и гениальность. Иширо Като работал при поддержке специальной исследовательской лаборатории гуманоидов (Humanoid Research Laboratory) при Waseda University (Токио). Интересен сам факт существования таковой в конце 60-х, в то время как для Японии это были не лучшие годы. И нужно сказать, результат очевиден, поскольку за Иширо Като стоит большая часть истории современных двуногих машин.

Уже в 1970 году появилась усовершенствованная модель WAP-2. В ней были разработаны специальные управляемые приводы, при этом под подошвы робота встраивались специальные датчики давления, что позволяло осуществить автоматический контроль положения.

В 1971 году состоялось сразу две премьеры, а именно - WAP-3 и WL-1. Обе они равноценны по значимости в истории шагающих механизмов. WAP-3 - это продолжение модели WAP-2, но, в отличие от предшественника, он имел спереди центр тяжести, что позволяло наклоняться и перемещаться не только по ровной поверхности, но и спускаться/подниматься, например, по лестнице. Таким образом, это был первый в мире робот, способный перемещаться не только по горизонтальной плоскости. WL-1 - это модель, управляемая мини-компьютером. Она так же, как и WAP-3, имела центр тяжести, расположенный спереди, но при этом могла менять направления ходьбы, что стало возможным за счет внедрения мини-компьютера.

В 1973 году в Японии (Иширо Като) стартовал проект WABOT-1, целью которого было создание полностью функционирующего антропоморфного робота. Помимо систем контроля управления, в WABOT-1 были встроены видео- и звуковая системы, которые позволяли оценивать расстояние до объектов и направление к ним. Таким образом, это одна из первых роботов-машин, которая имела "глаза" и "уши". Ко всему прочему WABOT-1 имел внешние рецепторы и звуковоспроизводящую систему (умел говорить). То есть, первый андроид был создан в 1973 году.

В 1980 году Иширо Като разработал WL-9DR, управляемый с помощью 16-разрядного мини-компьютера. При этом если в предыдущих моделях "обдумывание" механизмом каждого шага составляло более чем 45 секунд, то в варианте WL-9DR на один шаг тратилось всего десять секунд.

И в 1983 году появилась модель WL-10 и на "обдумывание" шага тратилось около четырех с половиной секунд. В модели WL-10R применялись новые типы серво-механизмов и материалов. Значительно добавлена степень свободы у членов робота. WL-10R мог свободно поворачиваться, ходить вперед и назад. Стали насущны еще одни параметры для шагающих механизмов, а именно - степени свободы.

1984 год. Команда ученых токийского университета создает двуногого робота с восемью степенями свободы. При этом данный робот уже имел автономное питание от источника постоянного тока.

В 1985 году Иширо Като создает WL-10RD. Теперь робот затрачивает от 2 до 5 секунд на каждый шаг. При совместной работе с HitachiLtd. модель WL-10R находит свое продолжение и в другом варианте - WHL-11 (WasedaHitachi Leg-11). В WHL-11 был добавлен компьютер и гидравлический привод.

С тех пор прошло много времени. Роботы научились думать, ходить, говорить, видеть, слышать и даже самообучаться. Современные компьютерные технологии позволяют улучшить системы управления. Современные химики создают отличные полимерные материалы, которые могут являться заменителем кожи. При этом в такие материалы можно встраивать электронику. При таком темпе развития робототехники не далеко то время, когда взаимодействие андроидоподобных роботов с человеком уже не будет никого удивлять.



2. Функции обнаружения объектов в робототехнике

2.1 Машинное зрение

Постоянное увеличение требований к качеству выпускаемой продукции и к контролю качества требует комплексных и мощных датчиков. Таких датчиков, которые смогут не просто определять присутствие/отсутствие объекта, но и смогут по определенным признакам судить о реальных физических характеристиках этого объекта. Роль таких датчиков играют системы технического (машинного) зрения.

Цель технического (машинного) зрения - принятие решений о характеристиках реальных физических объектов, основываясь на воспринимаемых изображениях. Еще недавно, основной областью применения систем технического зрения являлось видеонаблюдение и смежные с ним области. Но, в последние годы, в связи с развитием вычислительных систем, повышением разрешения камер и резким снижением их стоимости, круг областей применения систем технического зрения значительно расширился.

Области производства, которые используют системы технического зрения это:

· автомобилестроение (контроль качества окраски, сварных швов и т.д.);

· электроника (контроль установки компонентов на плату, контроль пайки и т.д.);

· медицина и фармацевтика (автоматический контроль маркировки, целостности упаковки и т.д.);

· машиностроение (контроль качества обработки деталей и т.д.);

· металлургия (контроль зазоров и смещений валков прокатных станов, контроль вспучивания металла перед валками, контроль геометрии кристаллизатора и т.д.);

· робототехника (контроль точности перемещений и захвата деталей роботом);

· деревообработка (контроль качества доски).

В нашем случае речь пойдет о применение технического зрения в области робототехники.

Типичные задачи, решаемые системой технического зрения, сводятся к наиболее распространенным задачам:

· Обнаружение (позиция и ориентация объекта)

· Измерение (измерение физических параметров объекта)

· Идентификация (распознавание символов, контроль печати)

· Инспекция (присутствие или отсутствие этикетки или акцизной марки)

Машинное зрение это новая технология призванная заменить обычное распознавание объектов и проверку. Это стало возможным с развитием вычислительной техники, с помощью цифровых камер высокого разрешения и высокоскоростной обработки полученных изображений.

Вся операция по контролю и обнаружению с помощью систем технического зрения происходит в четыре этапа:

2.2 Электромагнитное зрение роботов на основе терменвокса

Порядка 7 лет назад, на просторах интернета существовал проект, посвященный дешевому и довольно точному способу определить, есть ли в опасной зоне вокруг мобильного робота препятствие (или сходный по габаритам с ним объект). Это устройство основано на принципе работы терменвокса. Большое преимущество этого в том, что этот способ неконтактный. Кроме того, он позволял определить расстояние до препятствия. К сожалению, в нынешнем виде это устройство не позволяет построить карту объектов вокруг, поэтому в случае наличия нескольких объектов вокруг будет получена некая оценочная величина до препятствия, однако этот способ подходит для задачи избегания столкновения в таких соревнованиях, как роботы-сумо и Евробот, где на поле действует 2 робота. Возможны и другие более экзотические применения, например выхотите сделать устройство, реагирующее на подход к нему пользователя или охранную сигнализацию.

История

Как и многие начинания в области техники, основа работы устройства разработана русским ученым-изобретателем Львом Сергеевичем Терменом. Работа терменвокса заключается в изменении музыкантом расстояния от своих рук до антенн инструмента, за счёт чего изменяется ёмкость колебательного контура и, как следствие, частота звука.

Лев Термен - уникальный человек своего времени, будучи первопроходцем в радиотехнике, он обучался одновременно в консерватории и физическом и астрономическом факультетах Петербургского университета.

Позже работал в секретном ведомстве, разрабатывая системы подслушивания. Есть мнения, что именно он руководил разработкой подслушивающего устройства, основанного на модуляции звуком отраженного от стекла луча лазера, обеспечивая бесконтактную прослушку комнат, имеющих окна.

Система в современном виде

В отличие от старых версий, это устройство является полностью цифровым. Система может очень быстро просканировать область вокруг и обнаружить изменение емкости между антенной и объектами вокруг робота. Каждая из четырех антенн может быть выбрана микроконтроллером и в результате значение емкости возвращается в процессор в виде переменной ширины импульса. Когда объект приближается к антенне, увеличение емкости приводит к тому, что ширина строба сигнала уменьшается и наоборот. Чувствительность системы порядка 0,001 пико Фарад. Любой объект, с относительной диэлектрической проницаемостью, отличной от "1" будет обнаружен. Поскольку практически все твердые вещества имеют значительные относительные диэлектрические постоянные, можно перечислить несколько материалов, которые система не может обнаружить. К ним относятся воздух, вакуум, большинство газов. Система является относительно нечувствительной к слишком низкой плотности материала: пенополистирол к примеру, который может иметь относительную диэлектрическую проницаемость ниже, чем 1,01. Конечно, такие материалы, как металл, человеческая плоть, пластик, дерево и другие общие строительные материалы легко обнаруживаются данной системой.

Система не зависит от света, звука, радиоволн и магнитного полей. Система использует очень мало энергии осцилляторов, которые зависят от емкость антенны. Theremin Vision система использует менее 2 мА при 5 DC вольт.

2.3 Датчик препятствий на ИК лучах

Практически каждый самодвижущийся робот обладает такими датчиками. Это своеобразное зрение робота. Датчик работает по принципу радара - посылка и прием ИК света. Светодиод излучает инфракрасные лучи, которые отражаясь от препятствия, попадают на приемник ИК излучения, который формирует на выходе сигнал низкого уровня, что говорит о том, что есть сигнал. Если же препятствия нет, то лучи уйдут в никуда и отражения не будет, приемник ИК лучей ничего не "увидит".



История

Инфракрасные лучи были открыты в 1800 году английским физиком Уильямом Гершеле. Подразделяют три области инфракрасного излучения в зависимости от длины волны: ближняя (0,75--1,5 микрометров), средняя (1,5-5,6 мкм) и дальняя (5,6--100 мкм) (1 мкм=1/1000000 м).

Инфракрасные лучи абсолютно безопасны для организма человека в отличие от рентгеновских, ультрафиолетовых или СВЧ.

В инфракрасном спектре есть область с длинами волн примерно от 7 до 14 мкм (так называемая длинноволновая часть инфракрасного диапазона), оказывающая на организм человека по - настоящему уникальное полезное действие. Эта часть инфракрасного излучения соответствует излучению самого человеческого тела с максимумом на длине волны около 10 мкм. Поэтому любое внешнее излучение с такими длинами волн наш организм воспринимает как «своё». Самый известный естественный источник инфракрасных лучей на нашей Земле - это Солнце, а самый известный на Руси искусственный источник длинноволновых инфракрасных лучей - это русская печь, и каждый человек обязательно испытывал на себе их благотворное влияние.

Воздействуя на организм человека в длинноволновой части инфракрасного диапазона, можно получить явление, называемое «резонансным поглощением», при котором внешняя энергия будет активно поглощаться организмом. В результате этого воздействия повышается потенциальная энергия клетки организма, и из нее уходит не связанная вода, повышается деятельность специфических клеточных структур, растет уровень иммуноглобулинов, увеличивается активность ферментов и эстрогенов, происходят и другие биохимические реакции. Это касается всех типов клеток организма и крови.

2.4 Виды ИК датчиков

ИК Локатор

Принцип действия ИК-локатора основан на обнаружении препятствия по отраженному от него свету. Зона перед локатором освещается некоторым источником света, а фотодатчик меряет уровень освещенности. При появлении препятствия уровень освещенности фотодатчика повышается, что датчиком и фиксируется.

Чтобы повысить защиту локатора от фоновой засветки и помех используют, во-первых, свет инфракрасного диапазона, и, во-вторых, "подсветку цели" производят не непрерывным лучом, а импульсами. Если уровень сигнала с фотодатчика одинаков при включенной и при выключенной подсветке, то препятствие, скорее всего, отсутствует; если же в момент импульса подсветки сигнал с приемника заметно выше, чем во время паузы, то, с большой вероятностью, это вызвано наличием препятствия. В то же время, при отдельных импульсах возможны ложные срабатывания, а если давать импульсы непрерывно, то датчик начнет реагировать, к примеру, на солнечный свет или излучение люминесцентных ламп.

Поскольку те же подходы используются в системах дистанционного управления, сейчас широко распространены ИК-приемники рассчитанные на работу с пачками сигналов определенной частоты. В одном корпусе они содержат ИК-датчик, предварительный усилитель, фильтры и пр. Их выходной сигнал, как правило, таков, что позволяет подключать их непосредственно к микроконтроллерам.

Таких ИК-приемников довольно много. Познакомимся с ними на примере вполне типичной серии TSOP17хх производства VishaySemiconductors.

Рис. 3 - ИК применик

Серия включает семь моделей: TSOP1730, TSOP1733, TSOP1736, TSOP1737, TSOP1738, TSOP1740, TSOP1756, две последние цифры в обозначении модели соответствуют частоте несущей ИК-сигнала (30, 33, 36 и т.д. кГц). Схема приемников хорошо защищена от случайных импульсов и помех. Отсутствию сигнала (как и у большинства других ИК-приемников) соответствует высокий логический уровень на выходе ИК-приемника; при получении сигнала на выходе появляется импульс низкого уровня.

"Рабочий" сигнал должен отвечать следующим требованиям:

§ быть возможно ближе к частоте несущей для данной модели (например, 36 кГц для TSOP1736)

§ в пачке должно быть 10 или более импульсов

§ за пачкой от 10 до 70 импульсов должна следовать пауза длительностью не менее 14 импульсов

Используя микроконтроллер и подобный ИК-приемник, легко построить несложный, но практичный ИК-локатор.

Локатор работает следующим образом: контроллер включает ИК-излучатель LED1 несколько раз с частотой около 36кГц, затем "смотрит", есть ли сигнал от ИК-приемника IF1 и если сигнал есть - зажигает индикатор LED2. Затем контроллер "ждет" несколько миллисекунд, после чего посылает следующую пачку ИК-импульсов, и так далее.

По показаниям индикатора можно судить о наличии препятствия перед локатором:

§ если посылаемые пачки импульсов "не возвращаются" (видны отдельные редкие вспышки индикатора вследствие случайных помех) - препятствие отсутствует;

§ если некоторые из посланных пачек детектируются приемником (частые более или менее регулярные вспышки индикатора) - препятствие *есть, но "далеко";

§ если приемник регистрирует каждую из посланных пачек (индикатор горит непрерывно) - препятствие "близко".

ИК Дальномеры

ИК дальномеры можно рассмотреть на примере дальномеров, которые выпускает компания Sharp. Представленная линейка GP2DXX дальномеров Sharp, была разработана не только для обнаружения объектов на дальних расстояниях, но и для предоставления данных о расстоянии, в случае с моделями GP2D12, GP2D120 и GP2DY0A ('0A'). Эти модели работают намного лучше, так как используются новый метод измерения.

Для определения расстояния либо просто наличия объекта в поле зрения сенсора используется метод триангуляции и малая линейная CCD матрица.

Основная идея в следующем. Импульсы ИК излучения испускаются излучателем. Это излучение распространяется и отражается от объектов находящихся в поле зрения сенсора. Отраженное излучение возвращается на приемник. Испускаемый и отраженный лучи образуют треугольник «излучатель -- объект отражения -- приемник».

Угол отражения напрямую зависит от расстояния до объекта. Полученные отраженные импульсы собираются высококачественной линзой и передаются на линейную CCD матрицу. По засветке определенного участка CCD матрицы определяется угол отражения и высчитывается расстояние до объекта.

Этот метод более защищен от эффектов интерференции излучения и разной отражающей способности поверхностей, выполненных из различных материалов и окрашенных в различные цвета. Например, стало возможно определение черной стены при ярком освещении.

Серия дальномеров GP2XX включает несколько типов. Они различаются минимальными и максимальными значениями дальности измерения, а также форматом возвращаемого сигнала (есть модели, имеющие аналоговый выход -- они возвращают расстояние до объекта; также есть модели, имеющие цифровой выход и возвращающие лишь булевое значение -- есть объект в поле зрения датчика или нет).

На рисунке 4 представлены сравнительные характеристики.

Модели с красной меткой на диапазоне -- цифровые (определяют только, есть ли препятствие в интервале расстояний до метки или нет), остальные модели -- аналоговые (определяют расстояние в указанном диапазоне).

Ни одному из датчиков не требуется внешний синхросигнал. Вместо этого они излучают постоянно, потребляя примерно 25mA.

Рис. 4 - Сравнительные харартеристикидальномеров GP2XX

Подключение

GP2D12, GP2D120, GP2Y0A02, GP2D15, GP2Y0D02, GP2Y0A21 оснащены одинаковым разъемом для подключения. Он называется Japan Solderless Terminal (JST). Разъем имеет 3 контакта: ground, vcc и output.

Так как дальномер излучает непрерывно, нет необходимости в синхронизации для инициации чтения, что упрощает взаимодействие, но увеличивает энергопотребление (примерно 25 mA). К тому же возникает вероятность интерференции излучения с другими ИК датчиками.

GP2Y0A700 поставляется в специальном корпусе и оснащен 5 контактным JST разъемом. Распиновка следующая: ground, vcc, output, ground, vcc. Это сделано для подачи дополнительного питания 400 mA пикового (30-50 mA постоянного). Как и другие дальномеры GP2Y0A700 излучает постоянно.

GP2Y0D340K поставляется в специальном корпусе и оснащен 5 контактами (без разъема, впаивается) Vcc, LED_FB, Vo, ground, REG и два боковых контакта Shield. Пиковый ток 35 mA постоянный 28 mA.

GP2D02, GP2D05 (модели снятые с производства) используют JST с 4мя контактами: ground, vcc, clock и output.



3. Проектные решения

3.1 Концептуально-функциональная модель

Функциональные модели робота типа “шагающий” с функцией обнаружения объекта были разработаны в системе автоматизированного проектирования “AllFusionProcessModeler”.

AllFusionProcessModeler (ранее BPwin) - инструмент для моделирования, анализа, документирования и оптимизации бизнес-процессов. AllFusionProcessModeler 7 можно использовать для графического представления бизнес-процессов. Графически представленная схема выполнения работ, обмена информацией, документооборота визуализирует модель бизнес-процесса. Графическое изложение этой информации позволяет перевести задачи управления организацией из области сложного ремесла в сферу инженерных технологий.

На рисунке 5 представлена концептуально-функциональная модель робота типа “шагающий” с функцией обнаружения объекта в виде диаграммы IDEF0. Она отражает поведение робота.

На рисунке 6 представлено дерево данной диаграммы.

Рис. 5. Концептуально-функциональная модель

Рис. 6 Дерево диаграммы

Второй уровень модели поведения робота отражает более точную картину:

Рис. 7. Второй уровень модели

При пересечении местности робот шагоход анализирует заданную местность посредствам датчика. При обнаружении препятствия, которое сделает невозможным дальнейшее передвижение, робот шагоход запросит новые координаты, основываясь на данных о местности, после чего будет совершен обход препятствия по другому пути. По прибытию на заданную точку, робот шагоход отключается.

На рисунке 8 представлена декомпозиция первого блока модели второго уровня: ожидание задачи

Рис. 8. Первый блок модели: Ожидание задачи

После активации робот проверяет наличие соединения с сервером данных, затем считывает и проверяет данные, которые в данном случае являются координатами передвижения. После загрузки данных координаты задаются в базу данных робота.

По получении координат, перед тем как начать двигаться, срабатывает датчик обнаружения. Срабатывание датчика перед движением обуславливается тем, что на пути робота уже может быть препятствие, которое следует обойти. После включения датчика и анализа местности происходит активация средств передвижения. Во время движения непрерывно производится анализ местности на наличие препятствий.

робот шагающий датчик обнаружение



Рис. 9. Движение по координатам и обнаружение препятствий

Когда препятствие обнаружено, робот фиксирует его.

На третьем блоке Анализ и поиск обхода препятствия (рис. 10) видно, что после обнаружения, робот еще раз анализирует местность, и по данным местности подает запрос на обход препятствия. После получения соответствующих указаний, формируются новые координаты, в которых внесена поправка по маршруту с обходом препятствия.

Рис. 10. Анализ и поиск обхода препятствия



Когда новые координаты получены, выполняется движение до тех пор, пока робот не столкнется с очередным препятствием, либо не достигнет заданной точки (рис. 11).

Рис. 11. Выполнение задачи

3.2 Функциональная схема робота типа “шагающий” с функцией обнаружения объекта

Функциональная схема представлена в виде диаграммы IDEF3 (рис. 12).

Она детализирует логику процессов робота по двум основным его функциям: перемещение и обнаружение объекта.

Модель потока состоит из операций, символов логики и стрелок.

Логические символы или перекрестки представляют собой логическое “И”, логическое “ИЛИ”, исключающее “ИЛИ”. Они служат для отображения ветвления и слияния процесса. Стрелки могут использоваться для отображения последовательности выполнения операций во времени или поток объектов (ресурсов). В различных подходат в модели потока работ могут отображаться исполнители, используемое оборудования, программные средства и т.д.

Общие принципы построения в методологии IDEF3 сходны с IDEF0: модель представляет собой совокупность иерархически зависимых диаграмм, прямоугольники изображают работы или процессы, стрелки - тоже некие данные, построение модуле осуществляется сверху вниз путем проведения декомпозиции крупных операций на более мелкие.

Рис. 12. Функциональная схема IDEF3

На рисунке 13 представлено дерево данной диаграммы

Рис. 13. Дерево диаграммы



На рисунке 14 представлена декомпозиция блока функциональной схемы робота, которая состоит из 2-х основных функций:

Рис. 14. Две основные функции: передвижение и обнаружение

На рисунках 15 и 16 представлена декомпозиция блоков “передвижение” и “обнаружение объекта”.

Рис. 15. Декомпозиция блока “Передвижение”



Рис. 16. Декомпозиция блока “Обнаружение объекта”

3.3 Проектирование устройств робота.

3.3.1 Шагающий механизм

Для того, чтобы шагоход мог преодолеть не только ровные поверхности, но и пересеченную местность с спусками, подъемами и неровностями, следует выбрать наиболее устойчивую модель передвижения.

Примером наиболее устойчивой модели передвижения являются “ноги” известного шагохода Big Dog. Благодаря тому, что конструкция этих “ног” очень похожа на конструкцию ног животного, достигается высокая устойчивость.

Рис. 17. Сравнение ног ШагоходаBigDog и животного

3.3.2 Датчик обнаружения

Из перечисленных выше датчиков обнаружения, наиболее рациональным решением будет выбрать датчик на основе терменвокса.

Принцип работы Электромагнитного зрения роботов на основе терменвокса

Изменяющаяся емкость между антенной и объектом задает частоту работы осцилятора (сенсорная частота).Второй очень похожий генератор установлен на ближайшей частоте, но с неизменной емкостью и используется для обеспечения опорной частоты. Выход из этих двух осцилляторов объединяются в сигнал, частота которого есть "Разница" между сенсорной и опорной. Например, если сенсорная частота генератора составляет 1000000 Гц и опорного сигнала 1000100 Гц, разностный сигнал будет 100 Гц.

Теперь предположим, что объект приближается к антенне зондирования, изменяя частоту до 999999 Гц. Затем сигнал на выходе гетеродина станет 101 Гц. Таким образом, 1 миллионная часть изменения емкости антенны меняет выход на 1%, что и является ключом к отличной чувствительности Theremin Vision на объекты возле антенны.

Поэтому для типовой емкости антенны в 10 пФ мы и получаем чувствительность к измерению емкости в 0.001 пФ. На практике, в качестве опорной частоты применяется треугольный сигнал размахом 1.5 вольта и частотой 1.8 МГц и сенсорной частотой 1.7 МГц, разница между ними - 100 КГц, что дает коэффициент усиления датчика - 18.

Аппаратная часть

В данной системе используется антенна емкостью 22-25 пф. Такой разброс параметров представляет статическую ошибку и может быть откалиброван введением переменного резистора, который откалибрует сенсорную частоту.

Итак, система состоит из базового модуля и датчика. Датчик имеет свою сенсорную частоту в зависимости от емкости между антенной и объектами вокруг, базовый модуль выбирает нужный датчик и определяет длительность импульса гетеродинированной частоты. Дальше длительность пересчитывается в частоту, а частота в емкость.

Кратко состав системы:

1. Микронотроллер.

2. LMC555CN

3. CD4052 CMOS

4. CD4013 CMOS

5. 74HC4040 CMOS

Требования к антенне

При установке модуля с антенной рекомендуется оставлять как можно больше свободного пространства вокруг, кроме того, теряется смысл системы, если возле антенны будут постоянно изменяющие свое положение предметы.

Емкость между антенной и объектом как правило, дается по уравнению:

C = k A / d

Где:

C = емкость между антенной и объектом (Фарад).

к = константа (8,854 Фарада / метр).

А = Площадь между двумя объектами (квадратных метров).

D = расстояние между объектами (в метрах).

Хотя это конкретное уравнение не является действительно необходимым для нашей работы, несколько идей из него следует понимать.1. Емкость будет увеличиваться обратно пропорционально расстоянию. Таким образом, на объекте 2 метров будет иметь 1 / 4 емкости по объекту 1 фут прочь. 2. Емкость пропорциональна площади между объектами.

Робот может обнаруживать края платформы, глядя на увеличение длительность импульса. Он обнаруживает противника роботов, глядя на уменьшение ширины импульса. Это больше похоже на датчик присутствия, нежели на датчик для мобильного робота. Хотя использование порогового сравнения, может быть, и решит задачу в некоторых случаях.



Как бы то ни было, будет интересно узнать, что получится у тех, кто соберет данную штуку. К сожалению, у меня пока на это нет времени и я вернусь к этой теме чуть позже.

Изначально, был разработан базовый модуль и система датчиков, выглядело это примерно так:



Рис. 18. Базовый модуль и система датчиков

Также изначально использовался контроллер Basic Stamp BP24. Хотя можно использовать практически любой другой. Основная его задача - частотомер.



Шематик самого сенсора:

3.4 Проектирование печатной платы устройства

Автоматизированное проектирование печатной платы (электронной части) осуществляется с помощью CASE-средств типа P-CAD.

Система P-CAD предназначена для проектирования многослойных печатных плат (ПП) вычислительных и радиоэлектронных устройств. В состав P-GAD входят четыре основных модуля - P-CAD Schematic, P-CAD PCB, P-CAD Library Executive, P-CAD Autorouters и ряд других вспомогательных программ

P-CAD Schematic и P-CAD PCB - соответственно графические редакторы принципиальных электрических схем и ПП. Редакторы имеют системы всплывающих меню в стиле Windows, а наиболее часто применяемым командам назначены пиктограммы. В поставляемых вместе с системой библиотеках зарубежных цифровых ИМС имеются три варианта графики: Normal - нормальный (в стандарте США), De Morgan -- обозначение логических функций, IEEE -- в стандарте Института инженеров по электротехнике (наиболее близкий к российским стандартам).

Редактор P-CAD PCB может запускаться автономно и позволяет разместить модуль на выбранном монтажно-коммутационном поле и проводить ручную, полуавтоматическую и автоматическую трассировку проводников. Если P-CAD PCB вызывается из редактора P-CAD Schematic, то автоматически составляется список соединений схемы и на поле ПП переносятся изображения корпусов компонентов с указанием линий электрических соединений между их выводами. Эта операция называется упаковкой схемы на печатную плату. Затем вычерчивается контур ПП, на нем размещаются компоненты и, наконец, производится трассировка проводников.

Применение шрифтов TrueType позволяет использовать на схеме и ПП надписи на русском языке.

Автотрассировщики вызываются из управляющей оболочки P-CAD РСВ, где и производится настройка стратегии трассировки. Информацию об особенностях трассировки отдельных цепей можно с помощью стандартных атрибутов ввести на этапах создания принципиальной схемы или ПП. Первый трассировщик QuickRoute относится к трассировщикам лабиринтного типа и предназначен для трассировки простейших ПП. Второй автоматический трассировщикPRORoute трассирует ПП с числом сигнальных слоев до 32. Трассировщик Shape-Based Autorouter - бессеточная программа автотрассировки ПП. Программа предназначена для автоматической разводки многослойных печатных плат с высокой плотностью размещения элементов. Эффективна при поверхностном монтаже корпусов элементов, выполненных в различных системах координат. Имеется возможность размещения проводников под различными углами на разных слоях платы, оптимизации их длины и числа переходных отверстий.

Document Toolbox - дополнительная опция P-CAD РСВ и P-CAD Schematic для размещения на чертежах схем или ПП различных диаграмм и таблиц, составления различных списков и отчетов, которые динамически обновляются, таблиц сверловки, данных о структуре платы, технологической и учетной информации, размещения на чертежах схем списков соединений, выводов подключения питания и другой текстовой информации. Программа предназначена для расширения возможностей выпуска технической документации без использования чертежных программ типа AutoCAD. Document Toolbox позволяет автоматизировать создание конструкторской документации, необходимой для производства проектируемых ПП.

SPECCTRA - программа ручного, полуавтоматического и автоматического размещения компонентов и трассировки проводников. Трассирует ПП большой сложности с числом слоев до 256. В программе используется так называемая бессеточная Shape-Based - технология трассировки. За счет этого повышается эффективность трассировки ПП с высокой плотностью размещения компонентов, а также обеспечивается трассировка одной и той же цепи трассами различной ширины. Программа SPECCTRA имеет модуль AutoPlace, предназначенный для автоматического размещения компонентов на ПП. Вызов программы производится автономно из среды Windows или из программы P-CAD РСВ.

P-CAD Library Executive - менеджербиблиотек. Интегрированные библиотеки P-CAD содержат как графическую информацию о символах и типовых корпусах компонентов, так и текстовую информацию (число секций в корпусе компонента, номера и имена выводов, коды логической эквивалентности выводов и т.д.). Программа имеет встроенные модули: Symbol Editor -- для создания и редактирования символов компонентов и Pattern Editor -- для создания и редактирования посадочного места и корпуса компонента. Упаковка вентилей компонента, ведение и контроль библиотек осуществляются модулем Library Executive. Модуль имеет средства просмотра библиотечных файлов, поиска компонентов, символов и корпусов компонентов по всем возможным атрибутам.

Вспомогательные утилиты, образующие интерфейс DBX (Data Base Exchange), в частности, производят перенумерацию компонентов, создают отчеты в требуемом формате, автоматически создают компоненты, выводы которых расположены на окружности или образуют массив, рассчитывают паразитные параметры ПП и т. п.

Основные характеристики системы проектирования P-CAD приведены ниже.

Общие характеристики:

· 32-разрядная база данных;

· разрешающая способность P-CAD РСВ и других программ равна 0,001мм;

· до 100 открытых одновременно библиотек;

· число компонентов в одной библиотеке - неограничено;

· до 64 000 электрических цепей в одном проекте;

· до 10 000 выводов в одном компоненте;

· до 5000 секций (вентилей) в одном компоненте;

· до 2000 символов в атрибуте компонента;

· до 2000 символов в текстовой строке;

· до 20 символов в имени вывода, имени цепи, позиционном обозначении вывода (пробелы, знаки табуляции, точки и скобки не допускаются);

· до 16 символов в имени типа компонента (пробелы и знаки табуляции не допускаются);

· до 30 символов в позиционном обозначении компонента (двоеточие, пробелы, знаки табуляции, точка и точка с запятой не допускаются);

· до 8 символов в имени файла (в том числе и при работе в среде Windows);

· многошаговый «откат» вперед и назад. По умолчанию количество запоминаемых шагов установлено равным 10, но эту величину можно при необходимости изменить, редактируя файл конфигурации *.ini.

· минимальный шаг сетки 0,1 mil в английской системе и 0,001 мм в метрической системе (1 mil = 0,001 дюйма = 0,0254 мм, 1 мм = 40 mil). Систему единиц можно изменять в любой фазе проекта.

Графический редактор принципиальных схем P-CAD Schematic:

· до 99 листов схем в одном проекте, максимальный размер листа 60 х 60 дюймов;

· поддержка стандартных форматов листов от А до Е, АО-А4 и др. форматов;

· дискретность угла поворота компонента 90°;

· работает утилита ERC для просмотра и сортировки ошибок в принципиальных схемах;