Вступление

В эллинистическую эпоху, на острове Фарос был маяк, на котором были установлены четыре статуи. Эти статуи через определённые промежутки времени, поворачиваясь, отбивали склянки; в ночное же время они издавали трубные звуки, предупреждая мореплавателей о близости берега.

5 век до н.э. В работах Платона выражаются идеи, имеющие отношение к человеческому мышлению и механике машин. Блестящий философ и математик Архит из Тарентума, друг Платона, конструирует деревянного голубя, который мог летать и управлялся струей пара.

1495 год. Леонардо да Винчи разрабатывает детальный проект механического человека, способного двигать руками и поворачивать голову. Механизм выглядит как бронированный рыцарь.

Что объединяет все эти «изобретения»? То, что человек пытался создать предметы, которые могли бы также автономно, как и живые существа, существовать в нашем мире, или даже мыслить.

Меняются времена, меняются технологии. Но человека не покинула идея сделать себе «механических слуг», способных мыслить и выполнять разные задачи. Современное название этих устройств - роботы.

Цели, задачи, а также приветствие

Здравствуйте, многоуважаемые радиокоты и радиокошки! Так как сам я ещё котёнок, как в области радиолюбительства, так и в области моего физического возраста, то и устройства, создаваемые мной, должны быть детскими и выполнять роль игрушки(да и вообще, данная статья будет интересна только начинающим). А что будет выполнять роль игрушки, вы уже, наверное, догадались. Что же оно будет делать? Хм... О! А пусть оно следует за нарисованной линией, ведь это почти следование по заданной траектории! (можно будет заставить его таскать бутерброды от холодильника к рабочему месту, что бы не отвлекаться от любимого занятия:)) И так, мы вплотную подошли к целям моей работы, а точнее цели :

• Создать робота (действующую модель), который будет следовать за нарисованной на белом листе бумаги линией.

Задачи:

• Создание принципиальной электрической схемы
• Создание программы для созданной платформы
• Сборка робота, согласно схеме
• Тестирование, отладка
• Анализ результатов

Создание действующей модели робота

Итак, создание принципиальной электрической схемы:

Начальная схема выглядит так:

Главная часть схемы - 8- битный МК семейства mega от фирмы Atmel. Именно он выполняет функцию контроллёра поведения робота. В нём заложена программа. Он получает сигналы от двух датчиков - фототранзисторов L32P3C (можно любые другие, лишь бы реагировали на свет). Когда фототранзистор освещён, он пропускает ток, и импульс появляется на выводе МК. МК, получив сигнал высокого уровня, в зависимости от того есть ли сигнал на другом фототранзисторе, посылает сигнал на входы драйвера двигателей L293D, который усиливает эти сигналы (т.к. выводы МК не способны выдерживать ток больше 20мА) и передаёт их на двигатели M1 и M2, которые вращаются. Z1, C1 и C2 задают тактовую частоту МК, в данном случае она установлена на 4МГц, то есть контроллёр будет выполнять 4 миллиона операций в секунду. Всем известно, что правильное питание - залог здоровья, поэтому C3, C4 и VR1 выполняют функцию стабилизатора напряжения, для уничтожения нежелательных помех.

А как же будут работать датчики? Всем известно, что черный цвет поглощает почти весь спектр световых волн, а белый его отражает, поэтому, когда датчики будут находится над чёрной линией, то на них не будет поступать свет, а когда датчики будут находиться над светлой поверхностью, то будет, и соответственно, от датчика будет идти сигнал.

Конечно, это не окончательная схема, доработки некоторых блоков будут представлены ниже.

Алгоритм работы:

Алгоритм работы достаточно прост(подразумевается, что датчики находятся по разные стороны линии)

Небольшие поясниения:

Если участок линии, на которой находится робот, прямой, то от обоих датчиков будет идти сигнал.

Соответственно нужно вращать оба мотора.

Если участок линии, направлен влево, то на левом датчике будет отсутствовать сигнал.

Тогда нужно подать напряжение на правый двигатель.

Если же отсутствует сигнал на правом датчике, то имеет место поворот направо.

Естественно, нужно вращать левый мотор.

Собственно, разработка программы.

В качестве языка разработки был выбран распространённый и мощный язык программирования C.

Разберу, только основной блок, весь код смотрите ниже.

while (1)
{
PORTC.0 = PIND.0;
PORTC.2 = PIND.1;
}

Здесь нет варианта, когда робот завершает роботу, что не соответствует описанному выше алгоритму, потому что не бывает совершенных систем, мой робот, к сожалению, не исключение. Поэтому эта часть была убрана, что бы робот вдруг ни с того ни с сего не останавливался.

Загружая из порта D (ответственен за датчики) в необходимые выводы порта C (именно он ответственен за движение робота) мы заставляем робота реагировать как на одиночные импульсы от разных датчиков, так и от обоих вместе.

Итак, мы подошли к сборке робота, согласно схеме.

Сборка управляющей платы.

Управляющая плата, это плата с микроконтроллером, которая будет контролировать поведение робота. Её схема:

Как видно, схема проста, собирается в течении недолгого времени. Конечный результат:

Сборка стабилизотора напряжения и драйвера двигатетей.

На схеме это:

Собирается так же недолго, вот, что у меня получилось:

Сборка блока датчиков.

Блок датчиков отвечает за приём информации о мире. На схеме это:

Схема настолько проста, что собирается в течении 3-х минут. Конечный результат:

После соединения всех блоков получаем:

Естественно, я никого не заставляю собирать робота именно таким образом, просто сборка данным образом даёт некую "взрослую" систематизацию.

Тестирование, отладка.

Управляющая плата и плата стабилизатора напряжения, к моему удивлению не требовали отладки. Но зато плата драйвера двигателей, а точнее сами двигатели, и блок датчиков компенсировали эту потерю.

В блоке драйвера двигателей, отладки требовали двигатели. Проблема в том, что изначально я неправильно рассчитал мощность двигателей (чего вам делать не советую) и решил, что мне хватит и такой конструкции:

Естественно, я ошибался. Робот не то что медленно ехал, он просто стоял на месте.

Соответственно, мне понадобились редуктора. Ни в магазине, ни в интернете подходящих я не нашёл, поэтому мне пришлось «зверски вырвать» их из радиоуправляемой машинки и добавить их в конструкцию.

После добавления их в конструкцию, робот стал «летать». Он настолько быстро ездил, что иногда пропускал дорогу. О том, как я это исправил написано ниже.

Отладка датчиков

Наверное, ещё ни один датчик не работал сразу без отладки. Мой случай не исключение. Изначально датчики реагировали даже на слабый свет. Следовательно, нужно сделать регулятор чувствительности. Поэтому схема была дополнена:

Переменные резисторы позволяют настроить чувствительность. Затем можно померить сопротивление переменного резистора и поставить уже постоянный. Кстати, оптимальное сопротивление резистора в моём случае равно 9.1 кОм. Также были добавлены светодиоды, которые позволили датчикам работать даже в тёмных помещениях. Конечный результат:

Отладка программы

Как было сказано выше, робот слишком быстро ездил, следовательно, нужно уменьшить скорость робота. Делать это с помощью железа мне показалось неразумным, и я сделал регулировку скорости, напоминающую регулировку с помощью широтно-импульсной модуляции.

Была разработана функция:

void PWM (unsigned char vector)

Return ;

Опытный радиолюбитель скажет, что никакой это не ШИМ, и он будет прав. Но всё же данная функция позволяет регулировать скорость робота. (конечный код смотрите ниже в списках файлов)

И вот когда сборка и отладка закончены, настаёт время проверить работоспособность робота (там на фоне играла музыка, но youtube её убрал =()

Анализ результатов

По завершению работы нужно подвести итоги. И так, что же мне удалось?

• Создание программы.
• Создание электромеханической платформы . Остановимся на этом моменте поподробнее. Конечная ЭМП получилась такой, что её можно применять для решения таких простых задач как: прохождение лабиринта, как двухмерного, так и трёхмерного, следование за источником света, он может рисовать (достаточно прикошачить присобачить к корпусу фломастер), робот даже может участвовать в таких робототехнических соревнованиях, как кегельринг.
• Отладка системы.
• И самое главное - робот двигается по линии.

Заключение

В заключение обязательно нужно что-то сказать. А скажу я вот что:

Дело это:

• Финансово затратное

В этой статье показано изготовление простого робота, избегающего препятствия на плате Xboard v2.0 . Данная плата хорошо подходит для небольших умных роботов, потому что она компактна, имеет четыре контроллера двигателей постоянного тока, может быть прошита по USB и имеет ещё много других функций. Также она очень проста в освоении и использовании. xAPI представляет собой набор функций на С, предназначенные для решения сложных программных задач, таких как работа с ШИМ, ЖК-дисплеем, дистанционным управление и т.д. Очень хорошо и легко для новичков. Её конструкция является открытой, поэтому если вы не хотите покупать Xboard v2.0 , вы можете изготовить её самостоятельно.

Цель нашего робота проста: необходимо двигаться в любом месте, избегая препятствий. Задача проста, и робот выполняет её полностью самостоятельно. У него есть мозг, который считывает информацию с датчиков, принимает решение и управляет двигателями.

Во время создания робота вы узнаете различные базовые методы, которые пригодятся вам в будущем.

Механическая часть робота

Робот собран в качественном металлическом корпусе, который можно приобрести в магазине робототехники. Робот приводится в движение двумя моторами-редукторами постоянного тока 200 RPM. Он использует систему дифференциальной передачи и имеет одно касторовое колесо спереди. Колеса связаны непосредственно с валом двигателя.

Двигатели крепятся к шасси при помощи гайки, накручиваемой на резьбу возле вала.

Xboard v2.0 монтируется с помощью монтажного комплекта, который идет в комплекте и включает в себя болты, гайки и стойки. Xboard v2.0 сделана так, что её крепежные отверстия совпадают с отверстиями в корпусе.

Дифференциальная передача

Дифференциальная передача позволяет осуществить движение и управление при помощи двух колес. Нет необходимости в рулевых колесах, как на велосипеде или автомобиле. Для поворота транспортного средства (или робота) левое и правое колесо вращаются при разных скоростях. Вот почему это называется дифференциальной передачей. Например, если правое колесо вращается быстрее левого, то робот поворачивает налево.

На картинке это показано более наглядно.

Таким образом, перемещение и управление роботом осуществляется путем управления двумя двигателями, что легко делается при помощи xAPI. Подробнее об этом написано по ссылкам:

http://xboard.extremeelectronics.co.in/Motor1.htm

http://xboard.extremeelectronics.co.in/Motor2.htm

В статьях рассказано, как запустить двигатель по часовой стрелке или против неё. MotorA – правый двигатель, MotorB – левый двигатель. Фрагменты кода, показывающие работу с двигателями.

Движение робота вперед:

Движение робота назад:

Поворот на лево:

MotorA(MOTOR_CW,255); // правый мотор вращается по часовой стрелке (CW) с макс. скоростью (255)

MotorB(MOTOR_CW,255); // левый мотор вращается по часовой стрелке (CW) с макс. скоростью (255)

Поворот на право:

MotorA(MOTOR_CCW,255); // правый мотор вращается против часовой стрелки (CCW) с макс. скоростью

MotorB(MOTOR_CCW,255); // левый мотор вращается против часовой стрелки (CCW) с макс. скоростью (255)

О MotorA и MotorB можно узнать подробнее, перейдя по ссылке

Датчики

Бесконтактные датчики помогают роботу обнаруживать препятствия на своем пути. Датчики включают в себя ИК-передатчики и ИК-приемники. В качестве ИК-передатчика используется ИК-светодиод, который излучает свет в ИК-спектре, невидимом для человеческого глаза. ИК-приемник принимает эти лучи.

ИК-датчик

ИК-датчик состоит из ИК-приемника, Ик-передатчика и нескольких резисторов. Схема приведена ниже. Нам необходимо три таких датчика, установленных на переднюю часть робота.

Как вы можете видеть, датчик имеет два контакта: питание и выход. На выходе датчика может быть напряжение от 0 до 5В в зависимости от расстояния до препятствия и его типа. Напряжение приближается к 5В, когда препятствие рядом.

Номинал R1 150Ом, R2 22кОм. Цветовой код показан на схеме выше. Номиналы резисторов очень важны, поэтому используйте только резисторы указанного номинала. Короткий вывод ИК-приемника черного (полупрозрачного) цвета является положительным выводом. Это не ошибка, поэтому подключайте его именно так.

ИК-приемник и ИК-передатчик должны быть установлены так, чтобы ИК лучи от ИК-передатчика падали на препятствия и отражались в ИК-приемник. Их правильное расположение показано на картинке.

Выход датчика подключается к АЦП AVR микроконтроллера. АЦП превращает напряжение в 10 битное цифровое значение от 0 до 1024. То есть, ориентируясь на значение с АЦП, вы можете узнавать о наличии препятствий перед датчиком. Работа с АЦП Xboard v2.0 проста и описана по ссылке.

Если мы подключили датчик к ADC0, то получить информацию с него можно при помощи следующей функции:

int sensor_value;

sensor_value=ReadADC(0);//Read Channel number 0

При использовании резисторов указанных на схеме выше, значение sensor_value составляет около 660 когда перед датчиком нет препятствия, и 745 когда до препятствия около 15 см. Если препятствие находится на расстоянии ближе чем 6 см, то значение 1023. Это максимальное значение, и даже если препятствие еще ближе, то значение не повышается.

Обратите внимание, что эти значения могут варьироваться в зависимости от типа препятствия. Некоторые объекты отражают ИК лучи лучше или хуже, чем другие. Некоторые объекты отражают ИК-лучи очень плохо, и не могут быть обнаружены. Эти результаты были получены при использовании ладони в качестве препятствия. Например, ИК-лучи плохо отражает дерево, покрашенное в темные цвета, например двери.

Объединение и подключение ИК-датчиков

Три ИК-датчика крепятся на макетную плату, которая крепится на переднюю часть робота. Один датчик установлен в центре плату, а два других справа и слева соответственно.

Для начала макетная плата обрезается до нужных размеров. Это можно сделать при помощи небольшой ножовки по металлу.

Теперь нужно просверлить два отверстия для монтажа. Тогда мы можем использовать винты, гайки и стойки для установки платы на шасси. Я использовал электрическую дрель, чтобы сделать отверстия за несколько секунд, но если её у вас нет, вы можете использовать ручную дрель.

На другой стороне платы мы одеваем распорки на винты, чтобы иметь расстояние между макетной платой и шасси.

Теперь макетную плату можно устанавливать на шасси

Обратите внимание, что я использую подстроечные резисторы вместо постоянных на 22кОм. Но вы должны использовать постоянные резисторы на 22кОм. Макетная плата подключается к Xboard v2.0 с использованием стандартного 8 выводного коннектора. Xboard v2.0 имеет 8 выводной разъем для датчиков. Также в этом разъеме есть выводы +5В и GND для датчиков. Его распиновка показана ниже.

Подключите правый датчик к ADC0, центральный датчик к ADC 1 и левый датчик к ADC 2. Датчики готовы, и теперь можно перейти к их тестированию.

Тестирование ИК-датчиков

Ниже приведена небольшая тестовая программа, которая считывает значение с трех датчиков и отображает его на ЖК-дисплее. Для понимания работы программы прочитайте статью Взаимодействие с ЖК-дисплеем при помощи xAPI.

#include “avr/io.h” #include “util/delay.h” #include “lcd.h” void InitADC() { ADMUX=(1<

Скомпилируйте и прошейте программу в Xboard v2.0. После этого подключите ЖК-дисплей и плату с датчиками. На экране должны быть значения с трех датчиков как показано ниже.

Когда вы подносите препятствие к одному из датчиков, значение с него должно увеличиваться, а когда препятствие совсем близко, то увеличиться до 1023. Запишите значения датчиков когда препятствия перед ними нет и когда препятствие на расстоянии около 15 см от него. Эти значения понадобятся вам для настройки программы робота.

Также я предоставил HEX файл, готовый для прошивки микроконтроллера ATmega32 (или ATmega16) и запуска в кратчайшие сроки.

Если на дисплее нет никакого текста, настройте контрастность потенциометром.

Если датчики работают не как ожидалось, проверьте соединения. Для проверки работы ИК-светодиодов используйте любую цифровую камеру, например Handicam или камеру мобильного телефона. Невидимые для человеческого глаза ИК-лучи хорошо видны камере. Если светодиоды не излучают ИК-лучи, проверьте соединения.

Программная часть

Задача программы состоит в том, чтобы считывать значения с датчиков, принимать решения и управлять двумя двигателями. Таким образом, робот будет ездить по комнате, объезжая всё на своем пути.

Мы определили три константы, а именно RTHRES, CTHRES и LTHRES:

//Threshold Values For Sensor Triggering

#define RTHRES 195

#define CTHRES 275

#define LTHRES 195

Их постоянными величинами являются внесенные значение. Они должны быть уже записаны. Как их получить описано выше. Когда значение с датчика приближается к этому пороговому значению, программа воспринимает это как препятствие. Обратите внимание, что значения указанные выше могут не соответствовать вашим. Это нормально.

Программа начинается с инициализации подсистемы двигателя и подсистемы АЦП:

Потом мы начинаем двигать робота вперед. Это делается при помощи обращения к функциям MotorA и MotorB. Первым аргументом является необходимое направление:

Вторым аргументом является необходимая скорость. Ее значение может от 0 до 255. Мы используем 25,5 чтобы двигаться на полной скорости.

Более подробную информацию о работе с двигателем при помощи xAPI можно найти в документации Xboard v2.0 .

После того как наш робот начинает двигаться вперед, мы переходим в бесконечный цикл, проверяя, если какое-то препятствие перед роботом. Если да, то робот поворачивает.

Оригинал статьи на английском языке (перевод: Александр Касьянов для сайта cxem.net)

26.01.2011, 09:18
Источник:

Обычно, в статьях, я стараюсь излагать материал в порядке его разработки, но думаю, что это не тот случай. Поэтому, пропустим этапы проектирования принципиальной электрической схемы, разводки печатной платы и всего прочего. На рисунке 1 смотрим какое «безобразие» у меня получилось.

С первого взгляда кажется просто нагромождением железа, электроники и проводов. Наверное, это потому, что в ход пошли куски разнородных материалов. Давайте разбираться.

Теперь все по порядку. На микроконтроллер Attiny2313 с двух инфракрасных датчиков поступает сигнал о препятствии (логическая единица или нуль). Затем, согласно, прошивки микроконтроллер управляет микросхемой драйвер двигателя L293D (ток управления до 1 Ампера). На рисунке 3 представлена фотография перевернутого робота.

Основой конструкции самодельного робота является согнутая в трапецию металлическая полоска. Угол изгиба порядка 120°. Принципиально важно, чтобы с обеих сторон получился одинаковый изгиб, иначе робот будет двигаться не прямолинейно. Хотя, с другой стороны, что плохо сделал механик или электроник, иногда может загладить программист, скажем, с помощью ШИМ добиться прямолинейного движения робота

Из курса школьной геометрии все мы знаем, что плоскость образуется или тремя точками или прямой и точкой в пространстве. Третей точкой является свободно вращающееся роликовое колесо.

Приемники ИК-датчиков, фототранзисторы находятся снизу, дабы снизить засветку и свести к минимуму ложное срабатывание. Сами ИК-датчики крепятся на подвижных шарнирах, что позволяет производить настройку зоны сканирования. Интересная, кстати, реакции была моего кота на ползающего робота в коридоре?. Кот у меня черный. ИК-датчики я настраивал серого цвета обои, поэтому робот поворачивал перед котом почти в самый последний момент, а кот отпрыгивал на шаг назад с громким шипением.

Следующий моддингом для роботы стали ИК-датчики на его пузе, позволяющие роботу следовать по черной линии, нарисованной на белой бумаге маркером. Для реализации потребовалось три датчика и компаратор на микросхеме LM339N, чтобы разгрузить микроконтроллер. Существенным минусом оказалось, необходимая предварительная настройка датчиков подстроечными резисторами в зависимости от освещения в помещении.

P.S. Наградой за потраченное время на создание бессмысленного устройства, пожалуй, будет наглядность работы микроконтроллера и память которая будет пылиться на полке, до тех пор пока ей может быть не заинтересуется чей то ребенок.

В этой статье мы рассмотрим несколько схем роботов, в которых реализованы следующие варианты поведения:
1. Объезжает препятствие при контакте с ним "усиками".
2. Избегает препятствия без контакта (ИК бампер).
3. Упирается "усиками" в препятствие, отъезжает назад, делает поворот, затем продолжает движение.
4. Избегает препятствие с разворотом (ИК бампер).
5. Следует за объектом, сохраняя дистанцию (ИК бампер).

Перед тем как приступить к рассмотрению схем давайте кратко разберем особенности микросхемы L293.

Рис.1. Расположение выводов микросхемы L293D

Внутри нее имеется два драйвера для управления электромоторами.
Моторы подключаются к выходам OUTPUT. Мы имеем возможность подключить два двигателя постоянного тока.
8-й и 16-й выводы микросхемы подключаются к плюсу питания. Поддерживается раздельное питание, т.е. 16-й вывод (Vss) предназначен для питания самой микросхемы (5 вольт), а контакт Vs (8-й вывод) можно подключить к источнику питания для двигателей. Максимальное напряжение силовой части составляет 36 вольт.
Я их разделять не буду и во всех схемах подключу к общему источнику питания.
Минус питания или земля (GND) подключается к выводам № 4, 5, 12, 13. Эти контакты, кроме того, обеспечивают теплоотвод микросхемы, поэтому при пайке на плату для этих выводов желательно выделить увеличенную металлизированную область.
Еще микросхема имеет входы ENABLE1 и ENABLE2.
Для включения драйверов, необходимо наличие логической единицы на этих выводах, проще говоря 1-й и 9-й выводы подключаем к плюсу питания.
Также имеются входы INPUT для управления двигателями.

Рис.2. Таблица соответствия логических уровней на входах и выходах.

Выше представлена таблица, по которой можно понять, что если на вход INPUT1 подать логической единицу, т.е. соединить с плюсом источника питания, а вход INPUT2 - с минусом, то мотор М1 начнет вращаться в определенную сторону. А если поменять местами логические уровни на этих входах, то мотор М1 будет вращаться в другую сторону.
Аналогично происходит и со второй частью, к которой подключается мотор М2.

Именно эта особенность и использована в представленных схемах роботов.

Схема №1. Робот объезжает препятствие при контакте с ним "усиками".

Рис.3. Схема №1. С механическими датчиками препятствий.

После подачи питания моторы будут вращаться в определенную сторону, двигая робота вперед. Это происходит за счет того, что на INPUT1 через резистор R2 поступает сигнал высокого уровня, так же как и на входе INPUT4. Транзистор VT1 надежно закрыт, база стянута на минус питания, на коллектор ток не втекает.
Объяснять я буду по левой части, т.к. обе части симметричны.
На входе INPUT2 через резистор R3 устанавливается логический 0. Судя по таблице (рис.2) мотор вращается в определенную сторону. В правой части схемы происходит тоже самое и робот едет вперед.
В схеме имеются ключи (SB1, SB2), в качестве которых применены SPDT переключатели. На них с помощью термоклея прикрепляются скрепки и получаются датчики препятствий.

Рис.4. Из скрепок сделаны датчики "усики".

Когда такой датчик упирается в препятствие, ключ замыкается и вход INPUT2 оказывается подключенным к плюсу питания, т.е. подается логическая "1". В этот же момент времени открывается и транзистор, вследствие чего логическая единица на входе INPUT1 сменяется логическим нулем. Мотор при нажатой кнопке вращается в другую сторону. Рывками происходят микропереключения и мотор разворачивает робота от препятствия, до того момента, пока датчик перестанет соприкасаться с препятствием.

Как вы уже догадались, переключатели или сами моторы нужно расположить крест-накрест.

Схема №2. Робот избегает препятствия без контакта (ИК бампер)

Еще более интересное поведение можно реализовать, если в качестве датчиков использовать TSOP-приемники для приема инфракрасных сигналов. Это будет некое подобие ИК-бампера.
Итак, теперь схема выглядит таким образом.

Рис.5. Схема №2. С инфракрасными датчиками препятствий.

"Модуль приема ИК" работает так: при поступлении инфракрасного сигнала на TSOP-приемник на его выходе появляется отрицательное напряжение, которое отпирает PNP транзистор, и ток с плюса питания поступает на входную цепь микросхемы. Если в прошлый раз были использованы механические переключатели, с так называемыми усиками из скрепок, то новая схема позволит роботу не врезаться в препятствие, а реагировать на него с некоторой дистанции. Это выглядит так:

Приемная часть выполнена таким образом: два абсолютно одинаковых модуля (левый и правый) скрепленные между собой (рис.8).

В качестве приемников использованы TSOP1136 с рабочей частотой 36 кГц. Расположение выводов представлено на рисунке ниже.

Рис.6. TSOP1136.

С приемниками мы разобрались, но для обнаружения препятствий нужно в пространство перед роботом посылать инфракрасное излучение с определенной частотой. Рабочая частота приемников бывает разная, в моем случае она составляет 36 кГц. Поэтому на микросхеме NE555 был собран генератор импульсов на данную частоту, а к выходу подключены излучающие диоды инфракрасного диапазона.


Рис.7. Схема излучателя на NE555.

На шасси робота закреплен фрагмент макетной платы, на которую можно установить желаемое количество ик-диодов.
На диоды желательно надеть термоусадочные трубочки или что нибудь подобное, чтобы они светили вперед, а не в разные стороны.

Рис.8. ИК бампер.

После подачи питания робот может попятиться назад, это из-за слишком большой чувствительности TSOP-приемников. Они воспринимают отраженный сигнал даже от пола, стен и других поверхностей. Поэтому в схеме излучателя ИК-сигнала (рис.7) использован подстроечный резистор, с помощью него уменьшаем яркость инфракрасных диодов и добиваемся желаемой чувствительности.

Схема №3. Такой робот отъезжает назад от препятствия, делая поворот.

Давайте рассмотрим еще одну интересную схему.

Рис.9. Схема №3.

Когда такой робот упирается в препятствие одним из своих усиков, то он отъезжает назад, делая небольшой поворот, затем после небольшой паузы робот продолжает движение. Поведение показано на анимации ниже:

Эта схема тоже полностью совместима с инфракрасным бампером, от предыдущей схемы.

В схеме появились электролитические конденсаторы между эмиттером и базовыми резисторами транзисторов VT1 и VT2. Появились диоды VD1, VD2 и светодиоды HL1, HL2.
Давайте по порядку разберем, зачем нужны эти дополнительные компоненты.
Итак, когда замыкается переключатель SB1, т.е. первый датчик, ток от плюса питания через диод VD1 и токоограничивающий резистор R1 поступает на базу транзистора. Он открывается, меняя логический уровень на входе INPUT1, на входе INPUT2 уровень тоже меняется.
В этот момент ток также поступает на конденсатор C1 и он заряжается. Мотор М1 резко меняет направление вращения и робот отъезжает назад от препятствия. На видео можно заметить, что второй мотор тоже меняет направление движения, но на более короткий промежуток времени. Это происходит из-за того, что при замыкании датчика SB1, ток от плюса питания поступает также и на правую часть схемы, через светодиод HL2. Светодиоды не только подают кратковременный сигнал о столкновении с препятствием, но и являются гасителем напряжения, поступающего на противоположную половину схемы. Проще говоря, при замыкании ключа SB1, конденсатор C2 заряжается меньше, чем C1. А при замыкании ключа (датчика) SB2 происходит тоже самое, но наоборот - С2 заряжается больше (т.е. напряжение на его обкладках больше). Это позволяет не только отъехать от препятствия, но и немного отвернуться от него. Угол этого отворачивания зависит от емкости конденсаторов C1 и С2. Конденсаторы емкостью 22 мкФ, на мой взгляд, являются оптимальными. При емкости 47 мкФ угол поворота будет больше.
Также на видео можно заметить, что после того, как робот отъезжает назад от препятствия, то присутствует небольшая пауза перед тем как он поедет вперед. Это происходит из-за разрядки конденсаторов, т.е. в некоторый момент времени логические сигналы на входах INPUT уравновешиваются и драйвер на секунду перестает понимать в какую сторону вращать мотор. Но когда C1 и С2 разрядятся, на входах INPUT установятся первоначальные логические уровни.
Диоды VD1 и VD2 препятствуют разрядке конденсаторов через светодиоды HL1, HL2. Без светодиодов схема не работает.

Схема №4. Предыдущая схема с ИК бампером.

Эта схема отличается от предыдущей тем, что вместо механических датчиков здесь использованы инфракрасные (ИК бампер).

Рис.10. Схема №4.

Коллекторы PNP транзисторов VT1 и VT2 при обнаружении препятствия, подадут сигнал на входную цепь микросхемы. Далее всё происходит также, как было описано ранее, только такой робот при обнаружении препятствия перед собой отъезжает назад, делает поворот, затем продолжает движение.
Поведение показано на анимации ниже:

У робота будет более резкое поведение, если уменьшить емкость конденсаторов C1 и C2 например до 1 мкФ (минимальная емкость 0,22 мкФ).

Как сделать так, чтобы робот следовал за объектом?

Во всех схемах, представленных выше, датчики-сенсоры или сами моторы должны быть расположены крест-накрест. А при прямом подключении (когда левый датчик "командует" левым двигателем, правый - правым) робот будет не избегать препятствие, а наоборот следовать за ним. Благодаря прямому подключению можно добиться очень интересного поведения робота - он будет активно преследовать объект, сохраняя определенную дистанцию. Расстояние до объекта зависит от яркости ИК диодов на бампере (настроить).

Еще немного фотографий:

В шасси использованы металлические детали от конструктора. Макетная плата откидывается для удобства замены батареек.

Питание робота осуществляется от 4-х батареек АА.

Варианты изготовления корпуса и шасси для робота ограничиваются только вашей фантазией, тем более в продаже имеется много готовых решений. В моем случае схема будет перенесена на плату, т.к. куча проводов это не эстетично. Также будут установлены аккумуляторы со схемой подзарядки. А какие еще доработки можно произвести или добавить новые функции - это всё вы можете предложить в комментариях.

К этой статье имеется видео, в котором подробно описана работа схем и продемонстрированы разные варианты поведения робота.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Элементы схемы №1 и №2 (кроме ИК бампера)
VT1, VT2	Биполярный транзистор	2N3904	2			В блокнот
R1, R2, R4, R6	Резистор	10 кОм	4			В блокнот
R3, R5	Резистор	4.7 кОм	2			В блокнот
C1		100 мкФ	1			В блокнот
	Элементы "модуля приема ИК" на схеме №2, №4
VT1, VT2	Биполярный транзистор	2N3906	2	КТ361, КТ816		В блокнот
R1, R2	Резистор	100 Ом	2			В блокнот
C1, C2	Электролитический конденсатор	10-47 мкФ	2			В блокнот
	Элементы "модуля излучения ИК сигнала" рис.7
R1	Резистор	1 кОм	1			В блокнот
R2	Резистор	1.5 кОм	1			В блокнот
R3	Переменный резистор	20 кОм	1	для настройки яркости FD1, FD2		В блокнот
C1	Конденсатор керамический	0.01 мкФ	1			В блокнот
C2	Конденсатор керамический	0.1 мкФ	1			В блокнот
FD1, FD2	ИК диод		2	Любой

Всем привет. Эта статья небольшой рассказ о том, как сделать робота своими руками . Почему именно рассказ, спросите вы? Всё из-за того, что для изготовления подобной поделки необходимо использовать значительный багаж знаний, который очень трудно изложить в одной статье. Мы пройдёмся по процессу сборки, заглянем одним глазом в программный код и в конечном счете оживим детище «силиконовой долины». Советую посмотреть видео, чтобы иметь представление о том, что в итоге должно получится.

Перед тем, как двигаться дальше прошу отметить следующее, что при изготовлении поделки использовался лазерный резак. От лазерного резака можно отказаться, обладая достаточным опытом работы руками. Точность выступает тем ключом, что поможет завершить проект успешно!

Шаг 1: Как это работает?

Робот имеет 4 ноги, с 3 сервоприводами на каждой из них, что позволяют ему перемещать конечности в 3-х степенях свободы. Он передвигается «ползучей походкой». Пусть она медленная, зато одна из самых плавных.

Для начала нужно научить робота двигаться вперед, назад, влево и вправо, затем добавить ультразвуковой датчик, что поможет обнаруживать препятствия/преграды, а после этого Bluetooth модуль, благодаря которому управление роботом выйдет на новый уровень.

Шаг 2: Необходимые детали

Скелет изготавливается из оргстекла толщиной 2 мм.

Электронная часть самоделки будет состоять из:

• 12 сервоприводов;
• arduino nano (можно заменить любой другой платой arduino);

• Шилда для управления сервоприводами;
• блока питания (в проекте использовался БП 5В 4А);

• ультразвукового датчика;
• hc 05 bluetooth модуля;

Для того, чтобы изготовить шилд понадобится:

• монтажная плата (предпочтительно с общими линиями (шинами) питания и земли);
• межплатные штыревые соединители — 30 шт;
• гнезда на плату – 36 шт;

• провода.

Инструменты :

• Лазерный резак (или умелые руки);
• Суперклей;
• Термоклей.

Шаг 3: Скелет

Воспользуемся графической программой, чтобы начертить составные части скелета.

После этого в любой доступный способ вырезаем 30 деталей будущего робота.

Шаг 4: Сборка

После резки снимаем защитное бумажное покрытие с оргстекла.

Далее приступаем к сборке ног. Крепежные элементы встроенные в части скелета. Всё, что остаётся сделать — это соединить детали воедино. Соединение довольно плотное, но для большей надежности можно нанести по капле суперклея на элементы крепежа.

Затем нужно доработать сервоприводы (приклеить по винту напротив валов сервоприводов).

Этой доработкой мы сделаем робота более устойчивым. Доработку нужно выполнить только для 8 сервоприводов, остальные 4 будут крепиться непосредственно на тело.

Прикрепляем ноги к связующему элементу (изогнутая деталь), а его в свою очередь к сервоприводу на теле.

Шаг 5: Изготавливаем шилд

Изготовление платы довольно простое, если следовать представленным в шаге фотографиям.

Шаг 6: Электроника

Закрепим выводы сервоприводов на плате arduino. Выводы следует соединять в правильной последовательности, иначе ничего не будет работать!

Шаг 7: Программирование

Пришло время оживить Франкенштейна. Сначала загрузим программу legs_init и убедимся в том, что робот находится в таком положении, как на картинке. Далее загрузим quattro_test, чтобы проверить реагирует ли робот на базовые движения, такие как движение вперед, назад, влево и вправо.

ВАЖНО: Вам необходимо добавить дополнительную библиотеку в программную среду arduino IDE. Ссылка на библиотеку представлена ниже:

Робот должен сделать 5 шагов вперед, 5 шагов назад, повернутся влево на 90 градусов, повернутся вправо на 90 градусов. Если Франкенштейн делает всё правильно, мы двигаемся в верном направлении.

P . S : установите робота на чашку, как на стенд, чтобы каждый раз не выставлять его на первоначальную точку. Как только тесты показали нормальную работу робота, можем продолжать испытания, поставив его на землю/пол.

Шаг 8: Инверсная кинематика

Инверсная (обратная) кинематика – именно она в действительности и управляет роботом (если вам не интересна математическая сторона этого проекта и вы торопитесь закончить проект можете пропустить данный шаг, но знание того, что движет роботом всегда будут полезны).

Простыми словами инверсная кинематика или сокращенно ик – «часть» тригонометрических уравнений, что определяют положение острого конца ноги, угла каждого сервоприводи и т.д., что в итоге определяют пару предварительных установочных параметров. Для примера, длина каждого шага робота или высота на которой будет располагаться тело во время движения/покоя. Используя эти предопределенные параметры, система будет извлекать величину, на которую следует сдвинуть каждый сервопривод, для того чтобы управлять роботом при помощи задаваемых команд.