Разработка нижнего контура управления змееподобного робота
Существующие разработки змеевидных роботов и их природные прототипы: движение змей в природе, его механизация. Змеевидный робот Кевина Доулинга и Дору Михалачи, принципы управления ими. Разработка системы управления для змеевидного робота – "Змеелок".
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 03.02.2012 |
| Размер файла | 4,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Если обнаружен стартовый бит, начинается обработка бит данных. Решение об уровне данных также производится по 8, 9 и 10 выборкам входного сигнала, уровень входного сигнала определяется по равенству двух выборок. После того как уровень данных определен, данные вдвигаются в сдвиговый регистр приемника.
Для определения стопового бита хотя бы две из трех выборок входного сигнала должны быть равны 1. Если это условие не выполняется, в регистре USR устанавливается флаг ошибки кадра FE. Перед чтением данных из регистра UDR пользователь должен проверять бит FE для обнаружения ошибок кадра.
Независимо от принятия правильного стопового бита по окончанию приема символа принятые данные переписываются в UDR и устанавливается флаг RXC в регистре USR. Физически регистр UDR состоит из двух отдельных регистров, один используется для передачи данных, другой - для приема. При чтении UDR происходит доступ к регистру приемника, при записи - к регистру передатчика. При обмене 9-битовыми данными 9-й бит принятых данных записывается в бит RXB8 регистра UCR.
Если при приеме символа из регистра UDR не был прочитан предыдущий символ, в регистре UCR устанавливается флаг переполнения - OR. Установка этого бита означает, что последний принятый байт данных не переписывается из сдвигового регистра в регистр UDR и будет потерян. Бит OR буферирован и обновляется при чтении правильных данных из UDR. Таким образом, пользователь всегда может проверить состояние OR после чтения UDR и обнаружить происшедшее переполнение.
При сбросе бита RXEN в регистре UCR прием данных запрещается. При этом вывод PD0 можно использовать для ввода / вывода общего назначения. При установке RXEN, приемник подключен к выводу PD0 независимо от состояния бита DDD0 в регистре DDRD.
3.17 Генератор скорости передачи
Генератор скорости передачи этот делитель частоты, который генерирует скорости в соответствии с нижеприведенным выражением:
BAUD = Fck / (16*(UBRR+1)) (здесь BAUD - скорость передачи (бод)), Fck - частота тактового генератора процессора, UBRR - содержимое регистра скорости передачи UART
3.18 Характеристики по постоянному току
Основные характеристики приведены в Таблице 3.8
Vcc=2.7…6.0V (если не указано иначе)
Таблица 3.8
|
Параметр |
Мин. |
Тип. |
Макс. |
Ед. изм. |
||
|
Входное напряжение '0' |
-0.5 |
0.3 Vcc |
В |
|||
|
Входное напряжение '1' (кроме XTAL1 и RESET) |
0.6 Vcc |
Vcc+0.5 |
В |
|||
|
Входное напряжение '1' на XTAL1 и RESET |
0.7 Vcc |
Vcc+0.5 |
В |
|||
|
Выходное напряжение '0'(1) (Порты B и D) |
IIL=20mA, Vcc = 5V IIL=10mA, Vcc = 3V |
0.5 |
В |
|||
|
Выходное напряжение '1' (Порты B и D) |
I0H=3mA, Vcc = 5V I0H=3mA, Vcc = 3V |
Vcc-0.5 |
В |
|||
|
Выходной ток (Порты B и D) |
Vcc=5V, V0H = 4.5V Vcc=3V, V0H = 2.7V |
10 5 |
мА |
|||
|
Поглощаемый ток (Порты B и D) |
Vcc=5V, VIL = 0.5V Vcc=3V, VIL = 0.3V |
20 10 |
мА |
|||
|
Потребляемый ток: |
Активный режим, 3V, 4 МГц |
3 |
мА |
|||
|
холостой ход (idle mode), 3V, 4 МГц |
1 |
мА |
Примечания:
1. В рабочем состоянии ток через выводы должен ограничиваться следующими условиями:
- Максимальный ток через вывод - 20 мА (5V), 10 мА (3V)
- Максимальный ток через все выводы - 80 мА
Создание макета платы управления.
Основываясь на данных характеристиках микроконтроллера, требованиях технического задания и физических размерах звена была разработана принципиальная схема платы управления.
На 1 контроллер была возложена задача управления 2 рульмашинками в зависимости от полученного задания без использования внешних датчиков обратной связи.
Схема управления была электрически развязана с сервоприводами при помощи оптронных развязок (на схеме обозначены VD1 и VD2). Управляющий сигнал приходил на разъём J3. Распайка его контактов соответствует разъёму DB9P для обеспечения функционирования последовательного интерфейса. Однако для обеспечения нормального функционирования микроконтроллера было необходимо использовать т.н. кренки (на схеме обозначены DА1 и DА2) которые преобразовывали уровни сигнала в допустимые в соответствии с документацией контроллера. Так же потребовалось создание отдельной платы преобразования и прошивки на которой разместилась микросхема отвечающая за кодирование сигнала и смены микропрограммы контроллера - MAX232, преобразование сигнала последовательного порта, разъём «кроватка» для быстрой смены контроллеров и разъём для перепрограммирования флэш памяти МК через параллельный интерфейс с необходимой обвязкой. Это потребовалось сделать из-за нехватки места на платах (Рисунок) расположенных на звеньях контроллера, с них в целях экономии места был убран разъём программирования, а сам контроллер крепился на плате в специальный разъём «кроватку» для удобства демонтажа.
В результате была создана распределённая МК сеть с топологией общей шины работающая по последовательному интерфейсу в соответствии со стандартом EIA RS-232-C, CCITT V.24 для связи с Верхним уровнем. Который был реализован в виде управляющей программы на ПК. Им решалась задача моделирования волнового движения, формирования задания которое должно быть реализовано исполнительной системой и отправкой его через последовательный порт на контроллеры. Все последующие операции: приём, декодирование и обработка посылки и формирование требуемого ШИМ выполнялись микроконтроллерами т.е. Нижним уровнем.
3.19 Реализация схемы управления змеевидным роботом «ЗМЕЕЛОК»
Робот «ЗМЕЕЛОК» (Рисунок) представляет из себя робототехническое устройство змеевидного типа состоящую из16 звеньев общей длинной 1 м. Звенья соединены между собой с помощью двухстепенных шарниров Гука таким образом, чтобы обеспечивались повороты вокруг вертикальной и горизонтальной оси для каждого из них.
Корпус активного шарнира модуля робота выполнен из конструкционного карболана. К корпусу крепятся приводы и плата контролера. Для обеспечения необходимого коэффициента сцепления робота с поверхностью, к нижней части корпуса звеньев прикреплены резиновые «подошвы» полусферической формы.
Рис. 3.8 Внешний вид робота «ЗМЕЕЛОК»
Характеристики робота «ЗМЕЕОЛК» приведены в Таблице 3.9.
Таблица 3.9
|
Масса |
3 кг |
|
|
Длина |
1020 мм |
|
|
Ширина |
65 мм |
|
|
Максимальный момент по оси курса |
0,3 Нм |
|
|
Максимальный момент по оси тангажа |
1,2 Нм |
|
|
Напряжение питания |
4,8 - 6 В |
|
|
Максимально потребляемый ток на привод |
0,3 А |
3.20 Структурная схема управления
В соответствии с техническим заданием требовалось реализовать управление которое бы обеспечило змеевидное движение вернее позволяло бы всем контроллерам одновременно отрабатывать заданное воздействие тем самым реализуя требуемую бегущую волну.
При использование разделения управления на уровни общая схема будет выглядеть как показано на Рисунке
Управляющая система реализована в виде двухуровневой системы:
Верхнего уровня, модули которого включают в свой состав программу моделирования волнового движения, человека оператора, который задаёт требования к движению, программу пересчета закона движения в форму необходимую для нижнего уровня и программу обмена. И Нижнего уровня который в свою очередь состоит из модулей отвечающих за прием и обработку данных и формирование требуемого ШИМ.
Поскольку в данной работе подробно рассматривается Нижний уровень управления рассмотрим и разберём алгоритм его работы.
3.21 Алгоритм управления и его реализация
В ходе работы программы микроконтроллера необходимо обеспечить выполнение вышеописанных требований: приём данных по последовательному интерфейсу со скоростью 115200 бит/с, их обработка, выдача ШИМ с параметрами удовлетворяющими требованиям описанным в документации к сервоприводам и одновременное управление всеми контроллерами.
В микроконтроллере реализован цикл приёма и формирования управления.
Для реализации данной схемы работы был разработан алгоритм работы программы управления. Он прост, что объясняется тем, что разработка велась на простом микроконтроллере с ограниченным количеством памяти и возможностей.
Рассмотрим реализованный алгоритм поподробнее с приведением ссылок на участки кода программы микроконтроллера для более понятного разъяснения принципа работы.
После подачи питания на контроллер происходит его начальная инициализация, что и отраженно в схеме и программе. В момент инициализации контроллер определяет свой номер (строки 183-186) который устанавливается четыремя джамперами (переключателями) на Рисунке они обозначены номерами 5 - 8. Четырех джамперов достаточно в следствие того, что контроллеры управляют парами машинок, а из четырёх двухпозиционных переключателей возможно получить 16 комбинаций которых хватает для перечисления всех звеньев Змеелока.
Как уже известно с Верхнего уровня должна поступать информация - задания для приводов. Однако до этого момента не был оценён её объём. Но его легко подсчитать:
У нас есть известное число степеней подвижности за каждую из которых отвечает один сервопривод. В Змеелоке таких степеней 30 следовательно необходимо 30 управляющих команд для реализации движения. Но для задания всех возможных положений на используемых машинках не хватает 1 байта и приходится использовать 2, что в результате ведёт к удвоению объёма передаваемой информации. Хотя это не критично т.к. было показано, что скорости интерфейса более чем достаточно для работы данной схемы. Не стоит забывать и о стартовых байтах (их использовано 2 - AA и F1 для обеспечения защиты от срабатывания при помехах) и контрольном. В итоге получается массив из 63 байт данных.
После начальной инициализации контроллер ожидает стартовый байт AA (строка 131) Когда же с Верхнего уровня приходит массив данных состоящий из 63 байт которые включают в себя все задания для всех контроллеров и байт контроля, контроллер обнаружив в канале первый стартовый байт (строка 132) ждёт следующего стартового байта F1 (строка 135) для исключения случайного срабатывания, а по получение его начинает принимать посылку отсчитывая при этом количество принятых байт (строки 140-44) для проверки контрольной суммы (строка 144). Когда номер байта равняется номеру контроллера установленному на плате, микропроцессор сохраняет принятый байт и следующие за ним 3 байта в память (строки 140 -144) и после подсчёта контрольной сумы (строка 144-148) в соответствие с тем сошлась контрольная сумма (строка 148) или не сошлась (строка 149) помещает данные в память для дальнейшей обработки или просто игнорирует принятую посылку и ждёт следующей. Параллельно с циклом приёма в микроконтроллере работает цикл выдачи ШИМ с требуемыми параметрами (строки 56-121).
Это цикл включает в себя два таймера Т0 и Т1.
Частота срабатывания таймера T0 рассчитывается по формуле (6.2) и составляет для данной реализации 100Гц.
(3.4)
где fкварца - частота работы внешнего кварцевого генератора. Для Змеелока она составляет 7,3728 MГц, значение регистра TCNT0 равно 0xB8 что в десятеричной системе эквивалентно 184, а CK для микроконтроллера AT90s2313 равно 10 и следовательно 2 в 10 равняется 1024.
Данное значение частоты срабатывания Т0 в два раза больше требуемой в соответствии с документацией рульмашинкой. Это связанно с тем что один контроллер управляет двумя сервоприводами и выдача ШИМ ведётся поочерёдно каждому из приводов.
Кроме выдачи ШИМ таймер Т0 отвечает за мигание светодиода обозначенного на Рисунке D6 с частотой 10/120 с. Это реализовано (строки 45-55) для наблюдения правильности работы (отсутствие зависания) и наличия питания на микроконтроллере.
Кроме таймеров в выработке ШИМ принимает участие переменная add_pwm (строки 62-87) она по сути является скоростью с которой вырабатывается ШИМ. Управление данной переменной возложено на первые четыре не использованных джампера (1-4) это сделано для удобства проведения экспериментов с движением робота. Так как раньше для её изменения приходилось перепрограммировать все микроконтроллеры, что требовало много времени и сил в следствии труднодоступности кроватки с контроллером на собранном роботе.
Кроме того в тексте программы можно видеть закомментированные участки кода отвечающие за отсылку данных (строки 156-170 и 209-217) о текущем значение ШИМ который был выставлен. Это псевдообратная связь по положению так, как она отражает лишь, то что ШИМ был выдан на машинку, а не реальное положение которое заняла машинка. Данный алгоритм был отключен за ненадобностью, но возможность быстро его восстановить была оставлена.
В ходе тестирования и отладки программного обеспечения микроконтроллера были выявлены ошибки обработки массива и выдачи ШИМ. Для их устранения пришлось несколько раз (по мере обнаружения) перепрограммировать все микроконтроллеры.
Заключение
В соответствии с ТЗ выполнена разработка системы управления многозвенным исполнительным устройством с числом степеней подвижности необходимых к управлению 5 и более. В ходе работы был получен ценный опыт по созданию управления многозвенного робота, выявлены особенности разработки распределённой микроконтроллерной системы управления, были получены базовые навыки программирования микроконтроллерных систем, в частности микроконтроллера семейства MSC51 фирмы Atmel модели AT90s2313.
Данные полученные при разработке «Змеелок» будут учтены и проанализированы для дальнейшего совершенствования алгоритмов взаимодействия Нижнего и Верхнего управляющих уровней.
В случае продолжения разработки многозвенных мобильных роботов в ЦНИИ РТК возможно использование микроконтроллера AT90CAN128 с CAN интерфейсом от фирмы Atmel или использование в замен устаревшего AT90s2313 новой модели ATtiny2313, которая позиционируется производителем как доработанная версия s2313. Так же возможно использование текущей кофигурации вместе со специальными контроллерами беспроводных интерфейсов с целью изучения реализации беспроводной системы связи Верхнего уровня и Нижнего.
Список использованной литературы и источников
1. Файсканова Юлия Геннадьевна. Моделирование движения механического аналога змеи. Лицей НИП г. Королев, 2000 г.
2. Shigeo Hirose Biologically Inspired Robots (Snake-like Locomotor and Manipulator), Oxford University Press, 1993 г.
3. Yoji Umetani, Shigeo Hirose Biomechanical Study of Active Cord - Mechanism with Tactile Sensors, Proc. 6th Int. Symp. on Industrial Robots, Nottingham, 1976 г.
4. Dowling K., Terrestrial locomotion without wheels or legs, A Thesis Proposal The Robotics Institute, Carnegie Mellon, Pittsburgh, PA 1997 г.
5. Юревич Е.И., Иванов А.А. Исследование и реализация принципов создания ползающих роботов, ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург, 2004 г.
6. Иванов А.А. Исследование принципов локомоций гиперизбыточных ползающих роботов, СПбГПУ, ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург, 2004 г.
7. http://voronoi.sbp.ri.cmu.edu/serpentine/serpentine.html
8. http://www-robot.mes.titech.ac.jp/robot/snake_e.html
9. http://www.snakerobots.com/S5.htm
10. Ljrevtynfwbz b jgbcfyb http://www.atmel.com/dyn/products/product_card.asp? part_id=1993
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Исходные данные для разработки цикловой системы управления и проектирования усилителей управляющих сигналов. Блок-схема алгоритма работы системы управления пятью гидроцилиндрами промышленного робота. Принцип работы схемы и расчет силовых ключей.
курсовая работа [136,0 K], добавлен 08.06.2014Разработка конструкции исполнительных механизмов платформы шагающего робота. Разработка универсальных контроллеров и системы управления высокого уровня. Проектирование базовых алгоритмов управления, обеспечивающих автономное и супервизорное управление.
дипломная работа [6,3 M], добавлен 07.07.2012Разработка системы, предназначенной для управления поворотом устройства перемещения робота. Выбор и расчет передаточной функции микропроцессора, усилителя, электромагнитного клапана, гидроцилиндра. Расчет датчика обратной связи и устойчивости системы.
курсовая работа [972,1 K], добавлен 20.10.2013Что такое робот, истоки робототехники и классификация роботов. Проектирование робота для разминирования различных технических объектов. Технические расчеты движения и координирования руки и различных сил действующих на нее, особенности корпуса и головы.
курсовая работа [128,0 K], добавлен 12.08.2010Создание системы технического зрения для робота-манипулятора. Принцип иерархичности системы управления роботом. Вычисление характеристик объекта. Основные требования к алгоритмам управления. Разработка метода контурного анализа. Эквализация контуров.
курсовая работа [919,3 K], добавлен 06.01.2013Выбор и обоснование выбора элементной базы локальной системы управления: микропроцессора, гидроцилиндра, передаточной функции объекта управления и датчика угла поворота. Вычисление устойчивости системы автоматического управления челюстью робота.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 26.05.2013Классификация навигационных систем; телевизионная, оптическая, индукционная и радиационная системы измерения угловых координат. Системы измерения дальности и скорости, поиска и обнаружения. Разработка и реализация системы навигации мобильного робота.
дипломная работа [457,8 K], добавлен 10.06.2010Исследование и выбор промышленного робота для лазерной резки; анализ технологического процесса; конструкция лазерного излучателя. Разработка общей структуры системы управления промышленным роботом как механической системой, технологическое использование.
дипломная работа [2,0 M], добавлен 12.07.2013Классификация, типы, модели и конструкция промышленных роботов (ПР). Мостовые и портальные электромеханические агрегатно-модульные промышленные роботы. Предназначение ПР с числовым программным управлением. Координаты перемещения захвата робота М10П62.
реферат [940,1 K], добавлен 04.06.2010Техническая характеристика конвейерного транспорта, разработка системы автоматического управления. Выбор силового электрооборудования. Построение структурной схемы регулирования тока, контура регулирования скорости. Синтез системы векторного управления.
курсовая работа [842,6 K], добавлен 27.03.2013
