Как сделать первого робота

Материал из BrSTU Robotics Wiki
Перейти к: навигация, поиск

Для того чтобы собрать своего первого мобильного робота надо проделать следующее:

  • собрать шасси робота;
  • разместить элементы питания;
  • изготовить силовую электронику для управления двигателями шасси (так называемые драйверы двигателей);
  • установить сенсоры;
  • найти место для микроконтроллера и подключить к нему сенсоры, питание и драйверы двигателей.


Описание основных составляющих робота

Сейчас более подробно рассмотрим каждую составляющую робота.

Шасси робота

Шасси робота включает в себя двигатели, колеса, рулевые планки, редуктора и каркас, на который все это будет крепиться. Существует много вариантов шасси робота и схем управления ими, но обычно выделяют три основных схемы:

  • автомобильная;
  • дифференциальная;
  • omni.

К автомобильной (велосипедной) схеме управления можно отнести тех роботов, которые оснащены двигателем, вращающим колеса, приводящие в движение платформу робота и рулевой планкой, на которую крепятся свободно вращающееся колеса. При повороте рулевой планки робот начинает двигаться по окружности, радиус которой изменяться углом поворота рулевой планки и скоростью движения робота. Главным плюсом данной схемы является ее высокая скорость движения, а основным минусом – маневренность, так как для совершения маневра требуется некоторое пространство.

Дифференциальная или танковая схема обеспечивает управление робота за счет разницы между скоростями колес приводящих в движение платформу робота. Плюсом схемы является ее высокая маневренность, а недостатком – снижение скорости при маневре.

Omni (multi directional) схема позволяет роботу двигаться в любом направлении без поворота вокруг своей оси, иными словами назвать какую-нибудь часть передней или задней можно только условно. Это достигается за счет использования специальных omni колес. Основным недостатком этой схемы является сложность расчета скоростей двигателей для движения с заданной скоростью в выбранном направлении. Так же эти схемы могут комбинироваться различными способами, что приводит к созданию смешанных схем.

Рассмотрим сейчас типы двигателей, которые используются наиболее часто в робототехнике:

  • коллекторные;
  • шаговые;
  • сервоприводы.

Коллекторные двигатели имеют два контакта, на которые подается напряжение: земля (-) и питание (+). Меняя полярность питания, производится смена направления вращения двигателя. Шаговые двигатели оснащаются 4-мя или 5-ю контактами. Для их управления используются специальные чипы. Сервоприводы имеют 3 контакта: питание, земля и сигнальный. Сервопривод позволяет вращать и фиксировать вал двигателя на заданный угол, для этого с помощью сигнального контакта передается серия микро импульсов. Встроенная электроника преобразует эти импульсы в заданный угол поворота. Существует множество библиотек позволяющих работать с серво не с помощью импульсов, а с помощью угла. Большинство из сервоприводов способны вращаться на угол от 0 до 180 градусов.

Редуктор представляет собой, набор шестеренок, позволяющий повышать или понижать количество оборотов двигателя, тем самым понижая или повышая его мощность. Передаточное число записывается через двоеточие, например 36:1 – редуктор преобразует 36 оборотов двигателя в 1 оборот редуктора. Обычно в роботах используются понижающие редукторы, так как компактные двигатели маломощные, но с большим количеством оборотов.

Элементы питания

В качестве наиболее часто используемых в робототехнике элементов питания выступают:

  • одноразовые батарейки, например алкалайновые;
  • никель-метал-гидридные (NiMg) или никель-кадмиевые(NiCd) аккумуляторы;
  • литий ионные или литий полимерные аккумуляторы;
  • кислотно-свинцовые аккумуляторы.

Использование одноразовых батареек оправдано в том случае, если их замена будет производится довольно редко, в противном случае их использование будет более затратно, чем аккумуляторов. Никель-метал-гидридные или никель-кадмиевые аккумуляторы относительно дешевы, но не позволяют получить высокий ток разряда. Литий ионные или литий полимерные дороже своих аналогов, но обеспечивают высокие токи разряда. Кислотно-свинцовые аккумуляторы несмотря на то, что имеют высокую емкость и позволяют обеспечивать высокие токи разряда, имеют один большой минус, сильно ограничивающий их применение на небольших роботах – высокий вес.

Драйверы двигателей

Драйвер двигателя – это плата позволяющая управлять током, от внешнего источника питания, поступающим на двигатель. Используемые в лаборатории драйверы управления коллекторными двигателями имеют следующие группы разъемов:

  • вход питания на двигатель (+, земля);
  • выход питания на двигатель (разъем из двух контактов подающих питание на двигатель);
  • питание платы (+5, земля);
  • управляющие контакты (направление или direction, включение или enable).

На вход питания двигателя подключается источник питания (строго соблюдая полярность) от которого будет двигатель. Двигатель подключается к выходу питания. На питание платы заводится 5 вольт. На контакт direction подключается любой цифровой пин микроконтроллера, а на enable – пин поддерживающий аппаратную ШИМ модуляцию (pwm pin). Изменяя значение пина direction (0 или 1) производится переключение направления вращения двигателя. С помощью пина enable производится включение подачи напряжения на двигатель, используя ШИМ можно управлять скоростью вращения двигателя выставляя уровень скважности.

Сенсоры

Все используемые сенсоры можно разделить на две группы: цифровые и аналоговые. К цифровым относятся сенсоры возвращающие результат в виде 0 или 1, к аналоговым – возвращающие в некотором диапазоне. Для подключения первых используются цифровые пины, а для подключения вторых – аналоговые. К цифровым будут относиться следующие виды сенсоров:

  • контактные бамперы;
  • инфракрасные датчики препятствий;
  • инфракрасные датчики линии.

К аналоговым можно отнести:

  • инфракрасные дальномеры;
  • ультразвуковые дальномеры;
  • лазерные дальномеры.

При считывании показаний от цифровых результат будет выглядеть как отсутствие/наличие сработки сенсора. При считывании показаний от аналоговых результат будет выглядеть как величина напряжения на сигнальном контакте сенсора. При этом аналоговые сенсоры требуют дальнейшей обработки показаний.

Микроконтроллеры

В качестве микроконтроллеров наиболее широко используются 8-ми битные представители семейств PIC и Atmel AVR. Нами в подавляющем большинстве используется плата на базе микроконтроллера Atmega168 семейства AVR, которая весьма подробно рассмотрена здесь. Для написания программ и прошивки платы применяется среда Arduino.

Описание процесса сборки

Данный раздел будет добавлен в процессе сборки нового робота.