Robot Maxwell (Istrobot 2009)

...je vysoko autonómny - robí si čo chce..

Autor: Adam Krovina

Na obsahu sa pracuje.

Maxwell je mobilný autonómny robot určený pre kategórie Stopár a Myš v bludisku na súťaž ISTROBOT 2009, ktorá sa koná 25. apríla 2009 na FEI STU.

27. 4. 2009 Po súťaži ISTROBOT 2009. Súťažná verzia robota vyzerala mierne odlišne od mojich predstáv, ktoré som tu popísal. Nakoniec som sa musel odhlásiť z disciplíny Myš v bludisku. Nestihol som totiž robota dotiahnuť do takého stavu, aby bol schopný súťaže v bludisku. Dráhu stopára robot úspešne prešiel do cieľa všetky tri pokusy. Servomotory sú ale príliš pomalé a tak sa umiestnenie na posledných miestach dalo očakávať. Cieľ prejsť dráhu do konca bol však k plnej spokojnosti splnený.
Odlišnosti súťažnej verzie robota spočívali predovšetkým v použití mechanického spínača na detekciu prekážky. Tento bol namontovaný noc pred súťažou. Taktiež vtedy som ešte doprogramoval rutinu na obchádzanie prekážky. Prekážku robot obchádzal naslepo - s napevno naprogramovanou postupnosťou krokov.
Dokumentáciu robota budem ďalej spresňovať v rámci mojich časových možností.

Touto cestou by som chcel poďakovať p. Richardovi Baloghovi za skvelú prácu na organizácii súťaže ISTROBOT 2009, ako aj ostatným, ktorí "pridali ruku k dielu".

18. 4. 2009 Dokončený snímač čiary. Tvorí ho 5 párov IR vysielač - prijímač. Z dôvodu materiálneho nedostatku nie sú všetky páry rovnaké, ale 3ks CNY70 a 2 páry IR dióda 5mm a IR prijímač 5mm. Jednoduchý pokus ukázal, že obyčajné diódy majú väčší dosah ako páry v jednom púzdre (CNY70). Teda nemusia byť úplne tesne nad podlahou (cca do 4mm pre CNY70 v mojom zapojení). Rozsah by sa mohol upraviť zväčšením prúdu cez diódy. Tu si ale už nemôžem dovoliť experimentovať, nakoľko úž nemám náhradné kusy.
Snímače čiary sú pripojené na A/D vstupy mikrokontroléra na doske SLAVE. Pred jazdou sa robí automatická kalibrácia snímačov odobratím vzoriek nad bielym aj nad čiernym povrchom. Ako rozhodujúca úroveň sa používa aritmetický priemer vzoriek (10 vzoriek nad bielym, 10 nad čiernym povrchom). Hodnoty sa ukladajú do EEPROM, aby nebola kalibrácia nutná po každom resete.
Z dôvodu obmedzeného času som upustil od merania napätia batérie. Toto zrealizujem asi až po súťaži.
Snímač prekážky, identický so snímačom stien v bludisku, už funguje - na princípe rozladenia (odchýlenia sa) od nominálnej frekvencie demodulačného prijímača SFH... Teda využije sa princíp - čím viac sa rozladí vysielaná frekvencia, tým menej citlivý bude prijímač(detekuje na kratšiu vzdialenosť). Vhodný dosah prijímača sa dosiahne nastavením max. prúdu cez vysielaciu diódu.

9. 4. 2009 K dnešnému dňu sú hotové obe dosky plošných spojov, funguje komunikácia (UART) medzi procesormi cez jednoduchý protokol (popíšem neskôr). Fungujú tiež budiče motorov, displej a IR prijímač. Robot je ovládateľný pomocou provizórneho IR diaľkového ovládača. Ovládačom sa pomocou dvoch potenciometrov nastavujú dve premenné - rýchlosť a smer.

Technické špecifikácie:

• zdroj energie: batéria 4 článkov NiCd 1100 mAh (nominál. 4.8 V)

• pohon: 2 upravené modelárske servá riadené H-mostami. (Ľavé a pravé koliesko)

• ČB displej LCD grafický, 84x48 pixelov (z telefónu Nokia), sériová zbernica

• mikrokontroléry 2x ATmega8, taktovanie: MASTER 12 MHz, SLAVE 6 MHz

• snímače – ešte nie sú osadené, upresním neskôr. Plánujem 5 optočlenov na čiaru, 3 modulované na prekážku.

• Hmotnosť, rozmery ešte nie sú konečné. Odmeriam neskôr.

Mechanická konštrukcia

Kostra robota tvaru U je tvorená ohýbanými plastovými dielcami. Po bokoch sú umiestnené modelárske servá s pripojenými kolieskami. V zadu je tretie koliesko, ktoré poskytuje robotovi potrebnú stabilitu. Všetky spoje sú šroubované kovovými šroubami, zväčša priemeru 3mm.

Batéria je umiestnená na dne U-kostry robota, pod servami. Dva hlavné plošné spoje – jeden je na čele robota, druhý zhora, nad servami.

Elektronika

Robot obsahuje dva mikrokontroléry ATmega8 (www.atmel.com) na dvoch doskách plošných spojov. Jedna z nich obsluhuje motory a snímače, nazvime ju SLAVE. Druhá doska obsahuje LCD displej a IR prijímač, riadi chod robota, nazvime ju MASTER.

Doska SLAVE

• pomocou H-mostov tvorených štyrmi komplementárnymi pármi Darlingtonov (TIP132, TIP137) riadi chod motormi. Rýchlosť motorov je riadená PWM moduláciou pomocou prerušenia procesora.

• Číta impulzy prichádzajúce z optobrán vmontovaných do serv. Týmto spôsobom sa meria prejdená vzdialenosť.

• Číta stavy predného snímača čiary (reflexný optočlen, pár IR vysielač - prijímač). Toto je potrebné v kategórii Stopár, teda sledovanie čiary.

• Meria vzdialenosť od prekážok nachádzajúcich sa vľavo, vpredu a vpravo od robota. Toto je potrebné na orientáciu robota v bludisku a tiež pri obchádzaní prekážky na dráhe v kategórii Stopár. Meranie vzdialenosti zatiaľ nie je zrealizované.

• Meria napätie batérie.

• Komunikuje s doskou MASTER pomocou sériovej linky (UART)

Doska MASTER

• Ovláda displej.

• Rozhoduje o chode robota. Cez UART číta stavy snímačov, počítadiel, napätie batérie..., posiela príkazy riadiace rýchlosť a smer motorov.

• Umožňuje prijímať príkazy z dialkového ovládača. Toto je dobré pri ladení programu robota, pretože pri súťažení je robot ovládaný výlučne vlastným programom, teda je autonómny.

• Je jednoducho odnímateľná, teda aj vymeniteľná. Je ju možné využiť aj v iných aplikáciách, prípadne na robota pripojiť inú riadiacu dosku.

Pohon

Dve štandardné modelárske servá som upravil nasledujúcim spôsobom:

• Odstránená pôvodná riadiaca elektronika. Toto nebolo nutné, pretože je možné ovládať servá aj s pôvodným obvodom po malej úprave (výmenou potenciometra za odpory). Vzhľadom na to, že charakteristiky pôvodného obvodu úplne presne nepoznám, rozhodol som sa vyrobiť nové budiče motorov.

• Odstránený (odbrúsením) výstupok ozubeného kolieska, ktorý bránil otáčaniu serva v celom rozsahu dookola.

• Pridaná svietivá dióda a fototranzistor, spolu tvoria optobránu, umožňujú zistiť, o koľko sa servo posunulo. Dióda je v oblasti motora (kto už videl rozobraté servo, ten možno pochopí), svieti cez dierku prevŕtanú na vhodnom mieste do oblasti prevodovky. Lúč prechádza cez najrýchlejšie z prevodových koliesok. Toto je z jednej polovice priesvitné a z druhej začiernené. Fototranzistor je vtesnaný medzi prevodovými kolieskami. (Opäť platí – kto videl rozobraté servo, vie. Fototranzistor je tam ozaj vtesnaný.)

• Pridané zosilňovače, ktoré upravia signál z fototranzistorov na logické úrovne vhodné pre digitálne vstupy mikrokontroléra. Zosilňovače sú tvorené tranzistormi.

Súbory:

fotografie robota

Odkazy:

www.robotika.sk/contest/2009 – súťaž mobilných autonómnych robotov

www.atmel.com – použité mikrokontroléry

Spriatelené roboty:

http://www.robotika.sk/contest/2009/RobotMissile.php