Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка дистанционной системы управления учебным роботом

Введение

Робототехника сегодня одна из самых динамично развивающихся областей. Мы видим, как роботы постепенно завоевывают все сферы жизни - производство, медицину, сельское хозяйство и др. В ближайшем будущем роботы станут составной частью повседневной жизни. Поэтому необходимы специалисты владеющие навыками работы в области робототехники и мехатронике. В свою очередь для подготовки будущих специалистов требуются учебные роботы, на которых будет возможно улучшать свои знания.

Поразительно, как в наше время быстро развиваются технологии, кажется, что за темпами их развития, уже, сложно проследить. Сотовые телефоны - один из ярких примеров, они на сегодняшний день есть у каждого человека. Более того, они стали неотъемлемой частью нашего общества. Существуют телефоны с минимальным набором функций, а есть «продвинутые» с функциями сравнимыми с персональным компьютером.

Сотовые телефоны частично заменяют многие устройства такие как: фотоаппарат, компьютер, электронную книгу и т.п. Стоит задуматься «а почему бы не управлять с помощью телефона какими-нибудь не сложными устройствами?». Предлагается заменить не все устройство, а только некоторые средства дистанционного управления. Это упростит управление различными приборами в повседневной жизни человека. Например, один телефон с функцией Bluetooth сможет заменить все пульты от домашней техники, которые так часто теряются.

Эта актуальная проблема будет решена благодаря подобному устройству, разработанному в данном проекте, основной идеей и целью которого является создание дистанционной системы управления учебным роботом по каналу связи Bluetooth.

Bluetooth является самым распространенным каналом связи на данный момент. Он есть почти на всех телефонах, и очень прост в использовании. Bluetooth или блютус - производственная спецификация беспроводных персональных сетей. Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как персональные компьютеры, мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 200 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Слово Bluetooth - переводится с датского языка как «Синезубый». Это прозвище носил король Харальд I, правивший в X веке Данией и частью Норвегии и объединивший враждовавшие датские племена в единое королевство. Подразумевается, что Bluetooth делает то же самое с протоколами связи, объединяя их в один универсальный стандарт.

В данной работе производится разработка системы дистанционного управления учебным роботом. Учебный мобильный робот построен на базе машинки с радиоуправлением. А дистанционное управление осуществляется по каналу связи Bluetooth. Устройством передачи сигнала был выбран телефон с возможностью передачи информации по Bluetooth, а устройство приемник - это Bluetooth модуль установленный на плате в машинке.

Дадим определение, что такое робот. Робот - электромеханическое, пневматическое, гидравлическое устройство или их комбинация, предназначенное для осуществления производственных и других операций, обычно выполняемых человеком (иногда животным). Использование роботов позволяет облегчить или вовсе заменить человеческий труд.

С развитием робототехники определились 3 разновидности роботов:

- с жёсткой программой действий;

- управляемые человеком-оператором;

- с искусственным интеллектом, действующие целенаправленно без вмешательства человека.

Между тем робот не столько гибрид машины и живого существа, сколько автоматический механизм, выполняющий специфическую работу, которая несвойственна другим типам машин. К примеру, подъемный кран - это машина для подъема грузов на высоту, компьютер - электронная вычислительная машина. А подъемный кран с компьютерным управлением уже можно назвать роботом.

Когда мы говорим о роботах, то часто задаемся вопросом, насколько они разумны и могут ли в связи с этим представлять опасность или пользу для человека. Интересная тема, хотя говорить здесь надо не о роботах, а о компьютерах, управляющих их действиями. Сам робот всего лишь комплекс исполнительных механизмов. Команды для перемещения, исполнительным механизмам дает компьютер, в данном случае телефон.

Для выполнения цели проекта поставлены и решены следующие задачи:

1) Разработка структурной схемы устройства управления. Разрабатывается структурная схема работы учебного мобильного робота с дистанционной системой управления.

2) Разработка микропроцессорного устройства управления двигателями постоянного тока. Осуществляется разработка схемы электрической принципиальной - выбор двигателей, микроконтроллера, интерфейса связи. Расчет схемы электрической принципиальной и осуществляется разработка печатной платы и сборочного чертежа.

3) Разработка алгоритма и программы устройства управления;

1. Разработка структурной схемы устройства управления

1.1 Структурная схема системы

На рисунке 1 представлена структурная схема системы.

Рисунок 1 - Структурная схема устройства управления

С помощью программного обеспечения установленного на телефоне формируются и передаются сигналы на устройство приемник, в данном случае это Bluetooth модуль.

Bluetooth модуль в свою очередь принимает сигналы, и не обрабатывая передает их на главный управляющий элемент - микроконтроллер.

Получая информацию, микроконтроллер обрабатывает ее и формирует управляющие сигналы для драйвера управления. А через драйвер управления подается напряжение на двигатели постоянного тока для их работы.

2. Разработка микропроцессорного устройства управления двигателями постоянного тока

В данном разделе осуществляется разработка схемы электрической принципиальной - выбор двигателей, микроконтроллера, интерфейса связи. Расчет схемы электрической принципиальной и осуществляется разработка печатной платы и сборочного чертежа.

2.1 Разработка схемы электрической принципиальной

2.1.1 Выбор двигателя

В качестве объекта управления в данной работе были выбраны двигатели, установленные в машине на радиоуправлении, приобретенной специально для выполнения работы.

2.1.2 Выбор микроконтроллера

В качестве основного элемента получения и обработки сигналов был выбран микроконтроллер Atmega8 фирмы Atmel (см. приложение Б). У микроконтроллера имеются порты UART, 3 таймера, что необходимо для данной работы.

Цифровые сигнальные процессоры фирмы Atmel получили широкое применение, так как они имеют доступную цену и достаточный набор периферии.

2.1.3 Выбор микросхемы и интерфейса связи

Для управления двигателями стоял выбор между драйверами L298N и L293D. Но выбор остановился на драйвере L298N. Он работает в более широком диапазоне напряжений, и в связи с этим отпадает риск перегрева микросхемы. Так же он легкодоступный и имеет полный ряд функций необходимых для выполнения данной работы.

В качестве интерфейса связи с компьютером в данном проекте выбран интерфейс UART. Данный интерфейс был выбран не случайно, потому что для передачи данных используется Bluetooth модуль, который в свою очередь использует интерфейс UART. Так же его плюсом является хорошая скорость передачи данных - 9600 Кбит/с.

2.1.4 Расчет механической мощности.

Вес модели равен 0,7 кг, максимальная скорость 1 м/с при диаметре колес 30 мм.

Рассчитаем ускорение:

м/c.

Вращающий момент рассчитывается следующим образом:

Cm=Jб

При моменте инерции и угловом ускорении б =

мН*м

Для расчета максимальной мощности двигателя используется частота вращения двигателя, выражаемая в оборотах в минуту:

об/мин

Мощность двигателя пропорциональна вращающему моменту и частоте вращения:

Pm = Cm*V

Pm=Вт.

2.2 Расчет схемы электрической принципиальной

2.2.1 Выбор силового драйвера управления

В данной работе мы используем драйвер L298N со следующими характеристиками:

Максимальное рабочее напряжение: Uпит < Uдрайвера=46 В;

Напряжение питания U_пит=+5 В, +3,3 В;

Максимальный выходной ток (на один канал): Iпит < Iдрайвера=2 А:

2.2.2 Расчет резисторов

Вывод Reset микроконтроллера, согласно технической документации, рекомендовано подключать к питанию через подтягивающий резистор номиналом 10 кОм.

Резисторы для соединения микроконтроллера и Bluetooth модуля устанавливаются исходя из технической документации модуля: рабочее напряжение 3.3 В, при работе с напряжением 5 В установить резисторы номиналом 4,7 кОм.

Для стабильной работы и избежание сгорания светодиода необходимо, что бы ток текущей в цепи, соответствовал номинальному (10 или 20 миллиампер), для этого установим резистор сопротивлением 1 кОм.

2.2.3 Расчет конденсаторов

Для стабилизации напряжения поступающего с источника питания были параллельно подключены конденсаторы емкостью 30 мкФ и 100 мкФ.

Уже известно, что Bluetooth модуль работает от напряжения 3,3 В, получается рабочее напряжение в микросхеме 5 В будет излишним, что может привести к сгоранию модуля. Поэтому для уменьшения напряжения необходимо подключить стабилизатор L78L33. Исходя из его технической документации потребуются 2 конденсатора емкостью 0,33 мкФ и 0,1 мкФ. Схема соединения представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема соединения стабилизатора L78L33

2.3 Разработка печатной платы

Разработка конструкции устройства осуществляется на основе разработанной принципиальной электрической схемы с учетом требований к ремонтопригодности, требований технической эстетики, с учетом условий эксплуатации и других требований.

При конструировании печатной платы необходимо учитывать следующее.

Если нет каких-либо ограничений, печатная плата (ПП) должна быть квадратной или прямоугольной. Максимальный размер любой из сторон не должен превышать 520 мм. Толщина ПП должна соответствовать одному из чисел ряда: 0.8; 1.0; 1.5; 2.0 в зависимости от площади ПП.

Центры отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки. Каждое монтажное и переходное отверстие должно быть охвачено контактной площадкой.

Диаметр монтажных отверстий, диаметры выводов микросхем колеблются в пределах 0,8…1,2 мм, а диаметры выводов резисторов колеблются около 0,66 мм. Для упрощения процесса изготовления, монтажные отверстия на плате имеют диаметр 0,8 и 1,2 мм. Шаг координатной сетки составляет 1,27 мм.

Паять элементы припоем ПОС-61. Материал платы стеклотекстолит фольгированный СТЭФ 2-1,5-50 по ГОСТ 10316-86.

Для smd-элементов рекомендуется печатный монтаж, согласно datasheet.

2.4 Разработка сборочного чертежа

В ходе разработки сборочного чертежа необходимо уделить внимание следующим требованиям:

1) разработка сборочного чертежа устройства управления двигателями постоянного тока осуществляется на основе разработанной принципиальной электрической схемы с учетом требований к чертежным документам;

2) в соответствии со схемой деления изделия на составные части присвоить обозначение сборочной единице и ее элементам по ГОСТ 2.201-68;

3) проставить необходимые размеры согласно требованиям ГОСТ 2.109-73;

4) заполнить спецификацию, выдерживая все требования ГОСТ 2.108-68;

5) заполнить основную надпись и выполнить другие необходимые надписи (технические требования и пр.).

3. Алгоритм и программы устройства управления

В данном разделе осуществляется разработка алгоритма для микропроцессорного устройства управления двигателями постоянного тока, а также разработка программы управления на телефон.

3.1 Разработка алгоритма для микропроцессорного устройства управления двигателями постоянного тока

На рисунке 3 представлена схема алгоритма работы микропроцессорного устройства управления.

Значения передаваемого байта:

10: 00 - Стоп; 01 - Вперед; 10 - Назад; 11 - Стоп.

23: 00 - Стоп; 01 - Вправо; 10 - Влево; 11 - Стоп.



Рисунок 3 - Схема алгоритма работы микропроцессорного устройства управления двигателем постоянного тока

3.2 Разработка программы

3.2.1 Разработка программы управления двигателями постоянного тока

Данная программа необходима для управления двигателями постоянного тока. Микроконтроллер управляется программой с телефона.

Программа управления двигателем постоянного тока, с использованием микроконтроллера ATmega8.

3.2.2 Разработка программы на телефон

Для запуска этой программы необходимо иметь на компьютере установленную версию Windows 98/2000/ME/XP. Данная программа разрабатывалась в среде Android SDK.

Для работы используются следующие пространства имен:

import java.io.IOException;

import java.io. OutputStream;

import java.util. List;

import java.util.UUID;

import android.app. Activity;

import android.app. AlertDialog;

import android.app. ProgressDialog;

import android.bluetooth. BluetoothAdapter;

import android.bluetooth. BluetoothDevice;

import android.bluetooth. BluetoothSocket;

import android.content. Context;

import android.content. DialogInterface;

import android.content. Intent;

import android.content. DialogInterface. OnClickListener;

import android.hardware. Sensor;

import android.hardware. SensorEvent;

import android.hardware. SensorEventListener;

import android.hardware. SensorManager;

import android.net. Uri;

import android.os. Bundle;

import android.os. Handler;

import android.os. Message;

import android.view. LayoutInflater;

import android.view. Menu;

import android.view. MenuInflater;

import android.view. MenuItem;

import android.view. MotionEvent;

import android.view. View;

import android.widget. Button;

import android.widget. TextView;

import android.widget. Toast;

3.2.3 Назначение и условия применения программы

Программа предназначена для формирования и передачи сигналов на микропроцессорное устройство.

Для запуска этой программы необходимо иметь устройство с операционной системой Android любой версии. Данная программа разрабатывалась в среде Android SDK.

3.2.4 Обращение к программе

Перед запуском программы необходимо подключить питание к микропроцессорному устройству, и дождаться мигания светодиода, что означает о готовности к работе.

Для запуска программы необходимо включить Bluetooth на устройстве и запустить приложение «BluCar». С помощью кнопки «Connect to a device» установить соединение с Bluetooth модулем («linvor»). После того как светодиод перестанет мигать можно приступать к передаче данных.

4. Руководство пользователя

Для проверки работоспособности учебного мобильного робота необходимо следующее:

Включить питание учебном мобильном роботе при помощи кнопки представленной на рисунке 4.

Рисунок 4 - Кнопка включения питания

Дождаться мигания двух светодиодов представленных на рисунке 5. Первый (белый) установлен на схеме мигая через каждую секунду, извещая о том, что в схеме есть питание и она готова к работе. Второй светодиод находится на Bluetooth модуле, и имеет 2 режима работы:

- мигание: ожидание подключения;

- постоянное горение: показывает наличие подключения.

Рисунок 5 - Рабочее состояние светодиодов

Далее включаем на телефоне Bluetooth и запускаем программу «BluCar» представленную на рисунке 6. В программе нажимаем кнопку «Connect from device», из предоставленного списка выбираем linvor, которым является Bluetooth модуль. Дожидаемся когда светодиод на модуле начинает гореть постоянно, что означает успешное подключение. Учебный мобильный робот с дистанционной системой управления готов к работе.

Рисунок 6 - Программа на телефоне «BluCar»

Способы управления:

- кнопка «Forward» - движение вперед;

- кнопка «Reverse» - движение назад;

- поворот телефона по горизонтальной плоскости правым ребром вниз - поворот передних колесо вправо;

- поворот телефона по горизонтальной плоскости левым ребром вниз - поворот передних колес влево;

Для выключения мобильного робота необходимо отключить питание схемы и в программе нажать кнопку «Disconnect from device».

Заключение

В результате выполнения выпускной квалификационной бакалаврской работы на тему: «Разработка дистанционной системы управления учебным роботом» произведена и создана система дистанционного управления учебным роботом по каналу связи Bluetooth. Учебным роботом является машинка с двумя двигателями постоянного тока и элементом питания. Устройством передачи сигнала был выбран телефон с возможностью передачи информации по Bluetooth, а устройство приемник - это Bluetooth модуль установленный на плате в машинке.

Рассмотренная в проекте практическая задача дает четкое представление о значимости представленного устройства. Данное устройство сможет решить весьма актуальные бытовые проблемы, такие как управление с телефона всей домашней техникой и не только.

Созданная система дистанционного управления осуществляется с помощью микроконтроллера. Микроконтроллеры намного лучше своих предшественников. Они намного меньших размеров и обладают большей производительностью, а так же существенно ускоряют работу поставленной им задачи. В данной работе микроконтроллер используется для обрабатывания сигналов, которые поступают на него с телефона. Так же он отвечает за формирование сигналов для драйвера двигателей, заставляющего непосредственно крутиться движки. Микроконтроллер установлен в схеме, которая в свою очередь установлена в машинке и подсоединена к движкам.

Вышеуказанные выводы сделаны по первой (теоретической) части. Создана структурная схема.

Во второй главе описано как разработано микропроцессорное устройство дистанционного управления двигателями постоянного тока.

В третьей главе создан алгоритм и программа на телефон для визуализации управления двигателями постоянного тока.

В результате выполнения данной работы все поставленные цели и задачи успешно достигнуты.

Список литературы

1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов - М.: Солон-Р, 2001. -126 с.

2. Лорен Дэрси, Шейн Кондер: Android за 24 часа. Программирование приложений под операционную систему Google. Изд. Рид Групп, 2011 г.

3. Касаткин А.С. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. 4-е изд. - М.:Энергоатомиздат, 1983. -440 с., ил.

4. Евстифеев А.В.: Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL. Издательский дом «Додэка-XXI», 2008. - 558 с.

5. Романычева Э.Т. Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры. / Справочник. М.: Радио и связь, 1989. - 448 с.

6. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Т.1. Механика: Учебное пособие для физических специальностей вузов. - М.: Наука, 1974. - 520 с.

7. Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х томах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1993.

8. Atmel, 8-bit Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash Atmega16 - Datasheet.

9. L298 - Dual Full-Bridge Driver - Datasheet.

10. L78L00 SERIES - Positive voltage regulators - Datasheet.

11. Bluetooth Serial Converter UART Interface 9600bps User's Guide - Datasheet

12. Википедия: Свободная энциклопедия. 2012. URL: http://ru.wikipedia.org. (Дата обращения 20.05.2012).

микропроцессорный робот дистанционный управление

Размещено на Allbest.ru

...