3 Описание и принцип функционирования мобильных роботов

В наше время несложно построить мобильного колесного робота, благодаря большому выбору компонентов в продаже. Однако, зачастую дешевле купить готовый набор для сборки робота, их выбор также огромен. Наибольшее распространение получили Pololu 3pi Robot,Boe-Bot Robot Kit,Microbot Robot Kit,Gear Tacon Line Follower Robot Kit,Trekker Line Following Kit with 4 Sensors,X-Bot Line Following Robotи другие.

Рисунок 3.1 ‒ Внешний вид колесных мобильных роботов

Что касается перемещения мобильных роботов, существует множество различных способов, с помощью которых робот может определять собственное положение и строить маршрут между точками назначения. Например, при перемещениях на улице применяется технология спутниковой навигации, а окружающие объекты обнаруживаются с помощью камер или дальномеров. В случае перемещения внутри помещений с помощью камер и дальномеров строится виртуальная модель пространства, по которой робот ориентируется в дальнейшем. Вышеописанные методы имеют общий характер и применимы в произвольных ситуациях, но из-за этого они очень сложны в реализации и еще не применяются широко в повседневной жизни.

Как правило, автономные робототехнические системы проектируются под конкретные задачи. Такой подход позволяет формализовать требования к системе и разработать все возможные алгоритмы реакции на изменение состояния окружающей обстановки.

Например, одной из достаточно жестко формализованных задач может быть перемещение объектов внутри производственного помещения. Как правило, при перевозке грузов на складах или в производственных цехах роботы преодолевают один и тот же маршрут постоянно. Соответственно данный маршрут заранее известен и для него можно разработать систему управления движением робота.

Ранее цеховые транспортные средства представляли собой тележки, перемещающиеся по рельсам. С ростом науки и техники на смену им пришли робокары – мобильные роботы разных типов и для различных задач, а рельсы, проложенные вдоль цеха, заменила паутина направляющих линий, начерченных на полу.

Мобильные роботы, передвигающиеся в цехах вдоль линии, обычно оснащаются различными сенсорными устройствами для восприятия окружающей обстановки: ИК-датчиками, камерами, датчиками безопасности и т.п.

Мобильные роботы, представленные выше имеют достаточно простую структуру, по сравнению с роботами, применяющимся в промышленности. Рассмотрим мобильного робота "3-pi" от фирмы Pololu.

Рисунок 3.2 – Общий вид робота

Pololu 3pi является одним из лучших решений по цене и качеству. По виду совсем небольшой, и компактный робот. Размеры робота составляют 9,5 см в диаметре, а весит он всего лишь 83 грамма. Сердцем робота является микроконтроллер фирмы Atmel ATMega328. К платформе, оборудованной таким микроконтроллером, благодаря множеству портов ввода-вывода можно подключить множество переферии. Кроме того, этот микроконтроллер работает на частотах до 20Mhz, имеет 32Кб Flash памяти и 2 Kб RAM. Этого должно быть вполне достаточно, чтобы заставить робота выполнять такие задачи как езда по линии, выход из лабиринта или стать неплохим выбором для соревнований по робототехнике.

Рисунок 3.3– Микроконтроллер AtMega 328

Подвижная часть 3pi состоит из двух моторчиков, двух шасси и одной пассивной шаровой опоры.

Видеть мир роботу помагают ИК-датчики, расположенные на его нижней стороне. На рисунке, показан ИК-датчик QTR-RC, использующийся в мобильном роботе.

Рисунок 3.4 - QTR-RC sensor

Датчик работает на эффекте отражения излучения от поверхности. ИК диод посылает излучение. Пока на его пути нет препятствий, луч уходит в пустоту и не попадает на ИК транзистор. Как только перед датчиком появляется препятствие, то луч начинает отражаться от него.

Рисунок 3.5 - Принцип действия QTR-RC датчика.

После того как луч отразился от поверхности, в силу вступает еще один эффект. При одинаковом расстоянии, излучение лучше отражается от гладкого и светлого, чем от шершавого и темного. Таким образом, имея несколько датчиков, возможно выделить черную линию на белом фоне и придерживаться ее.

Информация, полученная при помощи датчиков, обрабатывается микроконтроллером, формируются управляющие воздействия.

Движение робота осуществляется посредством двух моторов, соединенных с колесами через коробку передач. Используются простые и дешевые щеточные двигатели постояннго тока и коробка передач с передаточным числом 30 к 1. Двигатели достаточно мощные, чтобы 3pi смог подняться по вертикальному наклону. Но данное действие ограничено трением шин: на достаточно крутом склоне скорость будет уменьшаться, в то время как наклон поверхности будет приблизительно 30-40°.

Огромным достоинством двигателей постоянного тока является их способность менять направление вращения ротора при изменении полярности источника питания. Для того, чтобы стало возможным программно контролировать направление вращения, в роботе используется схема включения двигателя «H-bridge». За реализацию такой схемы отвечают драйверы моторов TB6612FNG, которые в свою очередь подключены к портам главного микроконтроллера. Подавая различные значения на выходы микроконтроллера, возможно управлять вращением двигателя.

Рисунок 3.6– Схема включения двигателя

Если выключатели 1 и 4 закрыты (схема в центре), ток идет через двигатель слева направо, и мотор вращается вперед. Если же выключатели 2 и 3 закрыты, то двигатель вращается назад.

Таблица 3.1 – Отношение сигналов на выходе микроконтроллера к направлению вращения двигателей.

Двигатель 1

Двигатель 2

Порты микрокон-троллера

Состояние переключателей на H-bridge схеме

Состояние двигателя

Порты микрокон-троллера

Состояние переключателей на H-bridge схеме

Направление ращения двигателя

PD5

PD6

1

2

3

4

PD3

PB3

1

2

3

4

0

0

off

off

off

off

Выключен, свободное вращение

0

0

off

off

off

off

Выключен, свободное вращение

0

1

off

on

on

off

вперед

0

1

off

on

on

off

вперед

1

0

on

off

off

on

назад

1

0

on

off

off

on

назад

1

1

off

off

on

on

Выключен, тормоз

1

1

off

off

on

on

Выключен, тормоз

Различная скорость вращения двигателей достигается за счет применения ШИМ-модуляции. Драйвер мотора может бысто переключаться между состояниями «вперед» и «тормоз», чем заставляет вращаться двигатель с уменьшенной скоростью. Регулируя длительность нахождения в каждом из состояний, возможно точно управлять скоростью двигателя.

Рисунок 3.7 – Управление скоростью вращения двигателя

Благодаря способности управлять каждым двигателем поотдельности, возможно заставить робота поворачивать с различной интенсивностью либо вообще разворачиваться на месте.