Исследование системы управления макета робота Solar-bot

Research of control block of the Solar-bot model Bayanbay N. , Zhalel B.

Исследование системы управления макета робота Solar-bot Баянбай Н. А. , Жалел Б.

1Баянбай Нурлан Амангельдыулы /Bayanbay Nurlan - магистрант;

2Жалел Бауыржан / Zhalel Bauyrzhan - магистрант, кафедра систем управления и информатики,

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург

Аннотация: в данной статье рассмотрен алгоритм управления роботом, питающимся от солнечной энергии и построенного действующего прототипа робота. Использование датчиков препятствий обусловлено необходимостью автономности движения робота без внесения корректировок извне. Связь с роботом может осуществляться через два канала связи (bluetooth и ИК), что дает больше возможностей для управления роботом. Практическая ценность данного проектирования заключается в использовании в качестве элемента подзарядки батареи роботы солнечной энергии.

Abstract: topic of this project is hardware and software of control block of the Solar-bot model. This article describes the hardware architecture of the autonomous mobile mini-robot, which is a part of the hardware & software complex created for studying control of mobile robot algorithms. Use of sensors is motivated by necessity only internal navigation system without any external corrections. Equipment of the mobile robot by the duplicated communication system (bluetooth and IR) provides many opportunities of interaction in using.

The practical value of this project is using solar energy to charge up robot’s batteries.

Ключевые слова: мобильный робот, солнечная энергия, управление, датчики.

Keywords: mobile robot, solar energy, control, sensors.

Робототехника развивается параллельно с другими областями науки. Так, например, в данной статье рассмотрено взаимодействие этой отрасли науки с альтернативной энергетикой. Использование солнечной энергии для заряда аккумуляторов позволяет экономить на электричестве.

Солнечные элементы могут служить для робота источником вторичного электропитания, если таким образом подзаряжать его аккумуляторы. Такой комбинированный источник питания снижает требования к мощности солнечных элементов по сравнению с непосредственным питанием робота от солнечных батарей. Однако в этом случае робот будет активно функционировать только часть времени, а в остальное подзаряжать свои аккумуляторы [1].

Рис. 1. Структурная схема робота Solar-bot

Структурная схема робота «Solar bot» состоит из следующих элементов:

- фоторезистор;

- диод D;

- микроконтроллер Arduino Uno (МК);

- сервопривод;

- 4 DC двигателя с редуктором (М);

- драйвер управления двигателями;

- солнечная панель;

- аккумуляторная батарея питания (АКБ);

- преобразователь напряжения, повышающий (П);

- модуль Bluetooth для управления роботом по беспроводной связи;

- модуль для управления роботом по каналу инфракрасной связи (IR);

- ультразвуковой дальномер.

Устройство может взаимодействовать с окружением посредством актюаторов - электронных компонентов, которые преобразуют электрические сигналы в физические действия.

Солнечная энергия попадает на фотоэлемент FS, который генерирует электрический ток. Фотоэлемент состоит из нескольких последовательно включенных элементов, которые генерируют напряжение порядка 5-7 В. Ток проходит от панели к преобразователю напряжения. От преобразователя на выходе имеем ток 8,40В. Через диод D ток идет к аккумуляторным батареям. Диод в схеме нужен для предотвращения разряда аккумуляторных батарей через солнечную панель.

При достаточном количестве солнечных элементов можно создать солнечную батарею с практически любыми напряжением и током и способную обеспечить зарядку любого типа аккумуляторов. Конечно, не следует забывать, что мощная солнечная батарея будет занимать большую площадь для своей установки. Желательно использовать солнечную батарею, обеспечивающую ускоренный зарядный ток, величина которого находится в пределах 0,15-0,3 от емкости аккумуляторов [2].

Аккумуляторные батареи, в свою очередь, питают драйвер управления двигателями, и драйвер питает Arduino через каналы питания.

Сервопривод, установленный на датчиках, питается напрямую от Arduino. Так же дела обстоят с питанием модулей связи.

Кнопка включения робота расположена на драйвере двигателей. Оператор может управлять устройством посредством инфракрасного канала связи с помощью пульта управления или же любым Bluetooth-терминалом, устанавливающимся на множество современных устройств, таких как смартфоны, планшеты, компьютеры. Команды управления по каналам связи можно задать автономное движение устройства, а также движение на свет.

Движение на свет осуществляется благодаря наличию фоторезисторов, установленных в передней части устройства. Устройство сравнивает уровень освещенности и выбирает максимальное значение.

Автономное движение устройства с обходом препятствий реализовано при помощи ультразвукового дальномера модели HC-SR04. Дальномер посылает сигналы и при встрече с препятствием посылает сигнал на остановку двигателя и запрос на поворот сервопривода для поиска путей объезда препятствия. При обнаружении свободной зоны дальномер дает сигнал на движение в эту область.

Наибольшая эффективность углов обзора составляет 30°, что показано на рисунке 2. Дальность измерения составляет 4 метра.

Рис. 2. Размеры и углы обзора дальномера

Расстояние до объекта определяется по формуле:

/

1

уМ2 - j

где:

r - расстояние до препятствия,

M\, M2 - измерение принятой мощности излучения без подсветки и с подсветкой соответственно,

f(...) - функция определяемая тарировкой дальномера.

Измерения Mb M2 фотоприёмника оптопары сильно зависят от характеристик объекта, отражающего излучение ИК-излучающего диода. Однако на испытательном полигоне все препятствия сконструированы таким образом, чтобы их коэффициенты отражения в диапазоне длин волн 800...1000 нм, излучаемых диодом, лежали в пределах 10 % погрешности. Кроме того, с учетом динамики функционирования мобильного робота существует возможность использовать оптопары в качестве динамического оптического дальномера [3].

Фоторезистор, закрепленный на сервоприводе, вращается в поисках максимальной освещенности. В блоке управления прописан алгоритм, по которому в микропроцессоре производится компарация входных данных с фоторезисторов и выбирается наибольшее значение.

Разработанный макет робота может заряжаться от солнечной энергии при помощи установленной на нем солнечной панели. Сама программа робота подразумевает выполнение команд микроконтроллера. Робот может ездить автономно и предотвращать столкновение с препятствиями, используя ультразвуковой дальномер.

Также на роботе установлены фоторезисторы, используемые микроконтроллером для поиска наиболее освещенной области помещения, например, для того, чтобы зарядить аккумуляторы, роботу потребуется солнце, и он при помощи этого вида сенсора может самостоятельно найти максимально освещенное место и поехать туда.

Наличие интерфейса USB с поддержкой программирования микроконтроллера и подзарядки бортовых аккумуляторов ускоряет процесс разработки встраиваемого ПО для управления роботом. Оснащение набором сенсоров даёт возможность построения некорректируемых извне систем управления, структурно аналогичных системам управления мобильных роботов, выполняющих важные прикладные задачи.

Литература

1. Джон Ловин «Создаем робота-андроида своими руками»: ДМК-Пресс, 2007 - 266 с.

2. Интернет ресурс: http://www.cqham.ru/pow33_9.htm. Зарядка аккумуляторов с помощью солнечных батарей.

3. Александров В. А., Меркурьев И. В. Динамический оптический дальномер, применяемый для навигации мобильного робота.— ЦНИИ «Электроприбор»: Гироскопия и навигация, № 2. — 2006. — стр. 94.