Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ВЫСШИЙ КОЛЛЕДЖ ПГТУ «ПОЛИТЕХНИК»

Специальность: Компьютерные Системы и Комплексы

Контрольная работа

По дисциплине: «Микропроцессорные системы»

На тему: «Система с использованием датчика линии»

Автор работы:

студент группы КС-31 Татаринов А.В.

Руководитель:

доцент кафедры ИВС Морохин Д. В.

Йошкар-Ола 2015



Оглавление

Введение

1. Анализ современных решений в исследуемой области

2. Разработка схемы устройства

3. Разработка программного обеспечения

Заключение

Список литературы



Введение

Arduino - аппаратная вычислительная платформа, состоящая из двух основных компонентов: плата ввода-вывода и среда разработки на языке Processing/Wiring. Arduino удобна для разработки электронных устройств как для новичков, так и для профессионалов. Эта платформа пользуется огромной популярностью во всем мире из-за простого языка программирования, открытой архитектуры и программного кода. Особенность данной платформы является то, что она программируется без использования программаторов через USB. С помощью Arduino компьютер может выйти за рамки виртуального мира в физический, благодаря множеству датчиков, которые можно подключить к плате. Датчики могут получать информацию об окружающей среде, а также управлять различными исполнительными устройствами.

Может и взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере (например, Flash, Processing, MaxMSP).

Плата Arduino состоит из микроконтроллера и элементов обвязки для программирования и интеграции с другими схемами. На многих платах так же имеется линейный стабилизатор напряжения. Тактирование осуществляется на частоте 16 или 8 МГц кварцевым резонатором (прибор, в котором пьезокристаллический эффект и явление механического резонанса используется для построения высокодобротного (свойство колебательной системы, определяющее полосу резонанса и показывающее, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период колебаний) резонансного элемента электронной схемы. В микроконтроллер предварительно прошивается загрузчик (программа, отвечающая за загрузку исполнительных файлов и запуск новых процессов) BootLoader, поэтому внешний программатор не нужен. Плата Arduino содержит инвертирующую схему для конвертирования уровней сигналов RS-232 (Recommended Standart 232, физический уровень для асинхронного интерфейса) в уровни ТТЛ (Транзисторно-транзисторная логика-разновидность цифровых логических микросхем, построенных на основе биполярных транзисторов (трёхэлектродный полупроводниковый прибор) и резисторов.), и наоборот.

Интегрированная среда разработки Arduino - это кросплотформенное приложение на Java, включающая в себя редактор кода, компилятор и модуль передачи прошивки в плату. Язык программирования, используемый для Arduino очень похож на СИ++, дополненный некоторыми библиотеками. Обработка программ осуществляется с помощью препроцессора, а компилируется с помощью AVR-GCC.

Существует перевод документации по Arduino на русский язык.

Оригинальные платы Arduino производит Smart Projects.

На данный момент доступны 15 версий плат, перечисленных ниже.

1. Serial Arduino, программируется через последовательное соединение (разъём DB-9), используется ATmega8.

2. Arduino Extreme, с USB-интерфейсом для программирования, используется ATmega8.

3. Arduino Mini, миниатюрная версия Arduino, использующая поверхностный монтаж ATmega328. Не содержит конвертера USB-UART.

4. Arduino Nano 3.0, ещё миниатюрнее, с питанием от USB и поверхностным монтажом ATmega328.

5. LilyPad Arduino, минималистичный дизайн для носимых применений с поверхностным монтажом ATmega168 (в новых версиях ATmega328).

6. Arduino NG, с USB-интерфейсом для программирования, используется ATmega8.

7. Arduino NG plus, с USB-интерфейсом для программирования, используется ATmega168.

8. Arduino BT, с Bluetooth-интерфейсом для программирования, используется ATmega168 (в новых версиях ATmega328).

9. Arduino Diecimila, использует USB-интерфейс и Atmega168 в DIP28 корпусе.

10. Arduino Duemilanove («2009»), на основе ATmega168 (в новых версиях ATmega328), с автоматическим выбором питания от USB или внешнего источника.

11. Arduino Mega («2009»), на основе ATmega1280.

12. Arduino Mega2560 R3 («2011»), на основе ATmega2560. Используется конвертер USB-UART на базе ATmega16U2.

13. Arduino Uno R3 (2011), на основе ATmega328. Используется конвертер USB-UART на базе ATmega16U2.

14. Arduino Ethernet (2011), на основе ATmega328. Конвертера USB-UART нет. Ethernet чип -- W5100, также содержит модуль MicroSD.

15. Arduino Mega ADK for Android (2011), на основе ATmega2560. Содержит USB-хост для соединения с телефонами на базе ОС Android (м/с MAX3421e). Конвертер USB-UART на базе ATmega8U2.

1. Анализ современных решений в исследуемой области

Существует множество подходов для решения задачи следования по линии. Выбор одного из них зависит от конкретной конструкции робота, от количества сенсоров, их расположения относительно колёс и друг друга.

В данном проекте будет собран робот на лёгкой платформе с двумя колёсами и двумя датчиками линии, расположенными на днище робота перед колёсами.

Для этого робота понадобятся следующие детали:

Arduino Uno;

Двухколёсная платформа miniQ;

Motor Shield;

Troyka Shield;

Пара датчиков линий Kingduino Line Hunting Sensor

Данный датчик линии позволяет определять цвет поверхности около него. Выходом является простой бинарный цифровой сигнал: логический 0 или 1 в зависимости от цвета, который он видит перед собой. Единица -- чёрный или пустота, ноль -- не чёрный.

Основной фотоэлемент работает в инфракрасном спектре. Дополнительно на сенсоре установлен светодиод, который загорается, когда поверхность под датчиком светлая. Это удобно для диагностики и настройки.

Переменный резистор, установленный на сенсоре, позволит регулировать чувствительность сенсора в широких пределах. Это позволяет откалибровать датчик под вашу конструкцию, материал покрытия и различные условия внешнего освещения.

Сенсор может быть закреплён на днище мобильной платформы, чтобы заставить робота не выезжать за пределы территории обозначенной контуром, или чтобы он следовал за нарисованной линией.

Также его можно использовать в роли энкодера вращения: разместив на вращающемся объекте нарисованную чёрно-белую мишень, можно понять с какой угловой скоростью вращается объект и сколько оборотов он сделал.

Датчик подключается к управляющей электронике через 3 провода. При подключении к Arduino будет крайне удобно использовать Troyka Shield. Шлейф для подключения включён в комплект.

Если вам необходимы градации в измерении яркости цвета объекта, т.е. нужен аналоговый сигнал, обратите внимание на аналоговый датчик линии.

Характеристики

· Напряжение питания: 3-5 В

· Потребляемый ток: менее 10 мА

· Рабочая температура 0°C ~ + 50°C

· Интерфейс 3pin (Сигнальный, +5В питание , GND Земля)

· Выходной сигнал (Высокий уровень - белый цвет, низкий уровень - черный цвет)

Установка

Оптимальное расстояние между датчиком и поверхностью 1-2 см.

Аналоги датчика:

· Датчик линии на базе TCRT5000L (аналоговый)

Этот датчик испускает инфракрасный сигнал и затем ловит отражение этого инфракрасного сигнала от поверхности. В зависимости от типа и цвета поверхности меняется интенсивность отраженного сигнала. По этой интенсивности можно приблизительно судить об оттенках цвета поверхности, также может использоваться как датчик Холла, для определения скорости вращения. Состоит из светодиода, испускающего свет в инфракрасном диапазоне и фототранзистора. Рабочая дистанция 12мм. Тип сенсора - рефлекторный

· Дистанция 12 мм

· Длинна волны 950

· Питание 5В

· Метод зондирования: отражение

· Рабочая температура от -25 до 85 градусов

· Рефлекторный датчик QRE1113

QRE1113 это рефлекторный датчик, он часто используется в роботах, которые движутся по линии. В датчике установлен ИК светодиод, который светит на поверхность, и фототранзистор, который улавливает отраженный от поверхности свет. Темные цвета будут отражать меньше света, таким образом датчик может быть использован для разницы между белой и черной поверхностями. Несколько таких датчиков может использоваться в роботах для определения темных линий на земле, чтобы он мог следовать по ним. Но они также могут быть использованы для определения расстояния.

Существуют цифровые и аналоговые модели QRE1113. Аналоговая версия очень простая, она просто подает уровень аналогового напряжения на контактный сигнал в зависимости от того, сколько света отражается. Вы можете подумать, цифровая версия, часто называют датчик линии, просто выводит логическую 1, когда он видит линию, и логический 0, когда она отсутствует. Но это не так.

Цифровая версия предназначена для микроконтроллеров без аналогового входа, где нужно аналоговое считывание количества отраженного света. Он делает это, позволяя заряжать конденсатор на плате, а затем отсчитывать время, за которое он разрядится. Чем больше света отражается, тем меньше времени требуется, чтобы разрядить конденсатор. При тестировании, время колебалось в пределах от 10 микросекунд до 2,5 мс, так что это все делается очень быстро, а также не вносит большую задержку в вашем коде.

· QTR-3RC Reflectance Sensor Array

Основное назначение модуля Pololu QTR-3RC - датчик линии, но он может использоваться как датчик приближения или датчик отражения. На этом модуле равномерно располагаются с промежутком в 9,5 мм восемь сенсоров-пар содержащих источник инфракрасного сигнала (светодиод) и приемника сигнала (фототранзистор). Этот массив хорошо работает в качестве минимального датчика линии следования робота на линии следования курса, как правило изготовленного из 19 мм черной изоленты. Средний датчик слегка смещен вперед относительно горизонтальной оси платы.

В каждой цепи фототранзистора используется разряд конденсатора, который позволяет цифровой линии ввода-вывода микроконтроллера считывать аналоговый отражённый инфракрасный сигнал путем измерения времени разряда конденсатора. Более короткое время разряда конденсатора является показателем большего отражения.

· Резистор ограничивает ток, проходящий через светодиод, до 17 мА при напряжении питания в 5 В, делая полное потребление платы чуть больше 50 мА. Принципиальная схема модуля представлена.

Спецификация:

· Рабочее напряжение: 5 В

· Потребляемый ток: 50 мА

· Тип выходного сигнала: цифровой

· Диапазон выходного напряжения: от 0 до подаваемого напряжения

· Оптимальное расстояние обнаружения: 3 мм

· Максимальное расстояние обнаружения: 6 мм

· Размер (без штыревых разъёмов): 31,8 х 7,6 х 2,6 мм

· Вес (без штыревых разъёмов): 0,6 гр

Использование:

· У датчика Pololu QTR-3RC выходной сигнал измеряется цифровой линией ввода/вывода. Это обеспечивается за счёт измерения времени разряда конденсатора через фототранзистор. У такого измерения есть несколько преимуществ:

· Нет необходимости в аналого-цифровом преобразователе (АЦП).

· Улучшенная чувствительность, обусловленная делителем напряжения на аналоговом выходе.

· Параллельное чтение данных нескольких датчиков доступно на большинстве микроконтроллеров.

· Последовательность шагов считывания данных с датчика:

1. Установите вывод микроконтроллера как выходной с высоким логическим уровнем.

2. Подождите несколько микросекунд, чтобы дать конденсатору 2,2 нФ время для достижения 5 В.

3. Установите вывод как входной (высокое сопротивление).

4. Измерьте время разрядки конденсатора, оно будет равно времени ожидания установки низкого уровня на выводе.

· Эти этапы обычно могут выполняться параллельно на нескольких линиях ввода/вывода.

· На поверхности с сильной отражательной способностью, время разряда может быть всего лишь несколько десятков микросекунд, со слабой отражательной способностью - до нескольких миллисекунд. Точное время зависит характеристик вашего микроконтроллера. Стандартное время считывания равно 1 мс (т.е. не измеряются слабые различия между поверхностями с плохой отражательной способностью), что позволяет работать на частоте до 1 кГц всех 3 датчиков.

· Датчик линии Pololu QTR-3RC является цифровым, также доступен датчик линии Pololu Pololu QTR-3A с аналоговым выходом.

· Аналогично данному датчику может быть использован массив из нескольких одинарных датчиков отражения датчик отражения Pololu QTR-1RC или датчик отражения Pololu QTR-L-1RC. Есть так же модуль состоящий из массива восьми датчиков отражения: датчик линии Pololu QTR-8RC.

· Библиотека Pololu AVR предоставляет функции, которые делают датчик простым в использовании с контроллерами роботов Pololu Orangutan; для более подробной информации смотрите раздел библиотеки команд датчики отражения QTR. Также есть библиотека Arduino для работы с этими датчиками.

Несколько соединительных проводов и болтов, и гаек для крепления датчиков и Arduino Uno;

Кабель питания от батарейки Крона и сама батарейка.

2. Разработка схемы устройства

Схема подключения «Датчика линии»

Схема электрическая принципиальная

Собираем робота

Сначала соберём робота, установим всю механику и электронику. Для начала прикрепим колёса к моторам.

Затем с помощью пластиковых П-образных креплений прикручиваем моторчики к платформе. Обратите внимание на взаимное расположение крепления и моторчики: в креплении есть небольшие углубления, так что если всё соединить правильно, то моторчики будут крепко держаться и никуда не выскочат.

Теперь крепим балансировочный шар или два

Крепим сенсоры

Крепим их, как показано на фото:

Можно было бы выбрать и другое место. Это могло бы сделать контроль проще или сложнее, а самого робота более или менее эффективным. Оптимальное расположение -- вопрос серии экспериментов. Для этого проекта просто был выбран такой способ крепления.

Крепим Arduino

Arduino закрепим с противоположной стороны двумя винтиками и гайками. arduino микроконтроллер программирование робот

Опять же, можно выбрать и другое место. Например, над колёсами, если приподнять Arduino на латунных стойках. Это изменило бы положение центра масс и повлияло бы на эффективность робота в лучшую или худшую сторону.

Крепим Motor Shield и соединительные провода

Установим Motor Shield на Arduino и подсоединим соединительные провода. Обратите внимание, чтобы соотвествовать программному коду из примера ниже, моторчики соединены с Motor Shield так: правый -- к клеммам M1 с прямой полярностью (плюс к плюсу), а левый -- к M2 с обратной (плюс к минусу).

В этом проекте, для экономии времени концы соединительных проводов просто скручены с контактами моторов. При работе «начисто» стоит жёстко припаять провода к моторам.

Крепим Troyka Shield

Присоединяем сверху Troyka Shield и подключаем датчики к 8 и 9 цифровым контактам. В итоге получаем следующую конструкцию:

3. Разработка программного обеспечения

Напишем программу, которая заставит собранную конструкцию двигаться по нарисованной линии. В проекте мы будем использовать чёрную линию, напечатанную на белых листах бумаги.

Основная идея алгоритма

Пусть у нас есть белое поле, и на нём чёрным нарисован трек для нашего робота. Используемые датчики линии выдают логический ноль, когда «видят» чёрное и единицу, когда «видят» белое.

На прямой робот должен пропускать трек между сенсоров, то есть оба сенсора должны показывать единички.

При повороте траектории направо, правый сенсор наезжает на трек и начинает показывать логический ноль. При повороте налево, ноль показывает левый сенсор.

Таким образом получаем простую систему с тремя состояниями:

STATE_FORWARD -- нужно ехать вперёд

STATE_RIGHT -- нужно поворачиваться направо

STATE_LEFT -- нужно поворачиваться налево

На вход системы поступает информация с сенсоров. Получаем следующую логику переходов:

Левый	Правый	Целевое состояние
0	0	STATE_FORWARD
0	1	STATE_RIGHT
1	0	STATE_LEFT
1	1	STATE_FORWARD

Программный код

Блок схема алгоритма программы

// Моторы подключаются к клеммам M1+,M1-,M2+,M2-

// Motor shield использует четыре контакта 6,5,7,4 для управления моторами

#define SPEED_LEFT 6

#define SPEED_RIGHT 5

#define DIR_LEFT 7

#define DIR_RIGHT 4

#define LEFT_SENSOR_PIN 8

#define RIGHT_SENSOR_PIN 9

// Скорость, с которой мы движемся вперёд (0-255)

#define SPEED 35

// Коэффициент, задающий во сколько раз нужно затормозить

// одно из колёс для поворота

#define BRAKE_K 4

#define STATE_FORWARD 0

#define STATE_RIGHT 1

#define STATE_LEFT 2

int state = STATE_FORWARD;

void runForward()

{

state = STATE_FORWARD;

// Для регулировки скорости `SPEED` может принимать значения от 0 до 255,

// чем болше, тем быстрее.

analogWrite(SPEED_LEFT, SPEED);

analogWrite(SPEED_RIGHT, SPEED);

// Если в DIR_LEFT или DIR_RIGHT пишем HIGH, мотор будет двигать соответствующее колесо

// вперёд, если LOW - назад.

digitalWrite(DIR_LEFT, HIGH);

digitalWrite(DIR_RIGHT, HIGH);

}

void steerRight()

{ state = STATE_RIGHT;

// Замедляем правое колесо относительно левого,

// чтобы начать поворот

analogWrite(SPEED_RIGHT, SPEED / BRAKE_K);

analogWrite(SPEED_LEFT, SPEED);

digitalWrite(DIR_LEFT, HIGH);

digitalWrite(DIR_RIGHT, HIGH);

}

void steerLeft()

{

state = STATE_LEFT;

analogWrite(SPEED_LEFT,SPEED/BRAKE_K); analogWrite(SPEED_RIGHT, SPEED);

digitalWrite(DIR_LEFT, HIGH);

digitalWrite(DIR_RIGHT, HIGH);

}

void setup()

{

// Настраивает выводы платы 4,5,6,7 на вывод сигналов

for(int i = 4; i <= 7; i++)

pinMode(i, OUTPUT);

// Сразу едем вперёд

runForward();

}

void loop()

{

// Наш робот ездит по белому полю с чёрным треком. В обратном случае не нужно

// инвертировать значения с датчиков

boolean left = !digitalRead(LEFT_SENSOR_PIN);

boolean right = !digitalRead(RIGHT_SENSOR_PIN);

// В какое состояние нужно перейти?

int targetState;

if (left == right)

{

// под сенсорами всё белое или всё чёрное

// едем вперёд

targetState = STATE_FORWARD;

}

else if (left) {

// левый сенсор упёрся в трек

// поворачиваем налево

targetState = STATE_LEFT;

}

else

{

targetState = STATE_RIGHT;

}

if (state == targetState)

{

// мы уже делаем всё что нужно,

// делаем измерения заново

return;

}

switch (targetState)

{ case STATE_FORWARD:

runForward();

break;

case STATE_RIGHT:

steerRight();

break;

case STATE_LEFT:

steerLeft();

break;

}

// не позволяем сильно вилять на прямой

delay(50);

}



Заключение

В результате выполнения данного проекта была спроектирована система с использованием датчика линии. Данная система отличается от подобных устройств тем, что схема проста в реализации, устройство компактно и не требует никаких дополнительных навыков для её использования, но это никак не сказывается на себестоимости системы. Это связано с тем, что в нём применяются современные цифровые элементы и микросхемы, количество которых в схеме устройства сведено к минимуму.



Список литературы

1. Афанасьев О.А., Гендель В.С., Зимин А.В. Шагающие машины Теория Механизмов и Машин. 2010. №1. Том 3

2. Буданов В.М. Алгоритмы планирования движений шестиногого шагающего аппарата, 2009г

3. Тимонов А.В. Разработка алгоритмов управления шестиногим шагающим аппаратом "Катарина" на основе заданных походок 2009г.

4. Чернышев В.В. Методы расчета и проектирования шагающих движителей циклового типа мобильных робототехнических систем, 2011г.

5. Кормен Т.Х., Лейзерсон Ч.И., Ривест Р.Л., Штайн К.И. Алгоритмы: построение и анализ. -- М.: «Вильямс», 2012.-357с.

Размещено на Allbest.ru

...