Автономный робот на основе Arduino с возможностью дистанционного управления. — Линейный потенциометр

ИК-датчик препятствий для роботов-машин YL-63 (FC-51)
Smart Car Obstacle Avoidance Sensor Module Infrared Tube Module Reflective Photoelectric Sensor

Бесконтактный датчик YL-63 обнаруживает объекты в диапазоне расстояний почти от нуля и до установленного предела не вступая с ними в непосредственный контакт. Разные производители присваивают одному и тому же устройству разные наименования. Одни именуют представленный датчик наименованием YL-63 другие FC-51. Датчик предназначен для применения, когда не требуется информация о расстоянии до объекта, а только о его наличии или отсутствии. Предельная дистанция регистрации зависит от настройки. Датчик YL-63 имеет дискретный выход. Это оптический датчик регистрирующий увеличение интенсивности отраженного инфракрасного (ИК) излучения в контролируемом пространстве. Изменение отраженного излучения происходит из-за движущихся частей механизмов или перемещения окружающих предметов. YL-63 может размещаться на движущемся объекте для определения положения в окружающем пространстве. Применяется для обнаружения препятствия при движении колесных и гусеничных автоматов. Датчик может стать частью наглядного пособия для обучающихся в области систем управления и автоматики.
Устройство содержит источник ИК излучения и фотоприемник. Излучение отражается от препятствия и регистрируется фотоприемником. Он передает сигнал на компаратор LM393, который настроен на срабатывание при определенном уровне освещенности фотоприемника. Компаратор формирует сигнал на выходе датчика YL-63 низкого или высокого логического уровня.

Оптический датчик YL-63 относится к классу диффузионных. Название группы датчиков возникло из-за лежащего в основе работы датчика отражения излучения по множествам направлений - диффузии излучения отражающей поверхностью.
Работа устройства заключается в определении освещенности фотоприемника. Поскольку YL-63 фиксирует отраженное излучение, то возникает погрешность измерения расстояния, вызванная различной отражающей способностью поверхностей объектов изготовленных из разнообразных материалов.

Коэффициенты расстояния для отражения от различных материалов.

Белая матовая бумага	1
Хлопчатобумажная ткань	0,6
Серый поливинилхлорид	0,57
Дерево
слабо окрашенное	0,73
необработанное	0,4
Пластик
белый	0,7
черный	0.22
Черная резина	0,2-0,15
Матовый алюминий	1,2
Нержавеющая полированная сталь	2,3

Различное отражение и поглощение излучения различных материалов используются для работы воспринимающего узла тахометра. Предположим у нас есть . Требуется узнать количество оборотов в минуту вала двигателя. Нас выручит YL-63. Достаточно приклеить на маховик фрагмент белой бумаги, направить луч датчика на маховик и получим воспринимающий узел тахометра.
Для снижения последствий различных помех обрабатывающим микроконтроллером накапливаются данные полученные от датчика за короткий промежуток времени и производится усреднение. Датчик YL-63 может работать в приборах не имеющих МК.

Параметры

Напряжение питания 3,3-5 В
Дистанция обнаружения до отражающей белой матовой плоскости 0,02-0,3 м
Угол обнаружения 35°
Размеры 43 х 16 х 7 мм

Контакты

Датчик препятствия YL-63 он же FC-51 имеет вилку разъема из трех контактов:
VCC - питание,
GND - общий провод,
OUT - выход.

Индикаторы

На плате модуля расположено два индикатора. Свечение зеленого сообщает о включении питания. Красный светодиод светится если в зоне обнаружения находится объект.

Установка расстояния срабатывания

Настройку устройства облегчает работа индикатора обнаружения. Это позволяет настроить YL-63 он же FC-51 на срабатывание в реальных условиях. Установка чувствительности датчика выполняется с помощью переменного резистора, установленного на плате. Препятствие устанавливается на требуемом удалении от фотоприборов датчика. Поворотом подвижного контакта переменного резистора на плате модуля YL-63 выполняется установка расстояния срабатывания, добиваются включения красного светодиода. Затем проверяют дистанцию срабатывания перемещением отражающего объекта. Настройку повторяют не менее трех раз.

Программа для Ардуино обработки сигнала Y L-63

Сигнал датчика подается на контакт 12 Ардуино.

Void setup() {
Serial.begin (9600);
pinMode (12, INPUT);
}
void loop() {
Serial.print("Signaal: ");
Serial.println (digitalRead(12));
delay (500);
}

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

Чтобы наработать опыт в работе с платой Arduino, так сказать в качестве учебного опыта и просто для интереса был создан этот проект. Целью проекта было создать автомобиль, который может автономно перемещаться, объезжая различные препятствия и не сталкиваясь с ними.

Шаг 1: Список компонентов и стоимость проекта

1. Игрушечная Машинка с радиоуправлением (radio controlled).

Стоит эта штука около 20 баксов, если у вас есть возможность потратить больше, то можете использовать и получше.

2. Arduino Uno микроконтроллер - 25 долларов

3. Motor shield для контроля электромоторов - 20 долларов

4. GPS для навигации. Adafruit Ultimate GPS Shield - 50 долларов

5. Магнитометр в качестве компаса для навигации. Adafruit HMC5883 Magnetometer - 10 долларов

6. Ультразвуковой датчик расстояния, чтобы избегать препятствия. HC-SR04 - 6 долларов

7. ЖК-дисплей для отображения состояния транспортного средства и информации. LCD Display Blue 1602 IIC, I2C TWI - 6 долларов (можете использовать другой)

8. Инфракрасный датчик и пульт.

9. Arduino sketch (программа C++).

10. Тонкая древесная плита в качестве монтажной платформы.

11. Макетные платы. Одна длинная и узкая, а другая маленькая, чтобы отдельно установить на ней магнитометр подальше от других элементов.

12. Перемычки.

13. Набор для монтажа ультразвукового датчика - 12 долларов

14. Паяльник и припой.

Итак, в общем на всё ушло около 150 долларов, это при условии, если закупать все эти компоненты, поскольку возможно у вас уже что то имеется из этого.

Шаг 2: Шасси и монтаж платформы

Радиоуправление изъяли из ненужной игрушки, которая стоила 15 баксов.

Машинка здесь с двумя двигателями. С помощью одного движка пультом контролируется скорость движения робота, а с помощью другого контролируется рулевое управления.

Использовалась тонкая доска в качестве монтажной поверхности, на которой были прикреплены макетные платы, Arduino, ЖК и т.д. Батарейки размещены под доской и провода пропущены через просверленные отверстия.

Шаг 3: Программа

Arduino управляется через программу С ++.

Исходный код

RC_Car_Test_2014_07_20_001.ino

Шаг 4: ЖК-дисплей

Во время работы экран отображает следующую информацию:

Ряд 1:

1. TH - Задача, курс к текущей маршрутной точки

2. CH - Текущее направление робота

Ряд 2:

3. Err - Направление по компасу, показывает в каком направлении движется робот (влево или вправо)

4. Dist - Фокусное расстояние (в метрах) до текущей маршрутной точки

Ряд 3:

5. SNR - Sonar расстояние, то есть расстояние до любых объектов в передней части робота

6. Spd - Скорость робота

Ряд 4:

7. Mem - Память (в байтах). В памяти Arduino имеется 2 КБ

8. WPT n OF x - Показывает, где робот находится в списке маршрутных точек

Шаг 5: Избежать столкновения с объектами

Чтобы робот избегал препятствий, здесь использовался ультразвуковой датчик » Ping». Было решено совместить его с библиотекой Arduino NewPing, поскольку она лучше, чем простая PIng библиотека.

Библиотека была взята отсюда: https://github.com/fmbfla/Arduino/tree/master/NewPing

Датчик был установлен на бампере робота.

В отличие от человека, роботы не ограничены только зрением, слухом, осязанием, обонянием и вкусом. Датчики роботов бывают разных типов. В первую очередь роботы используют различные электромеханические датчики, чтобы исследовать и понять окружающий мир и самих себя.

Воспроизвести органы чувств живого существа в данный момент очень сложно. Из-за этого исследователи и разработчики прибегают к альтернативам биологических чувств.

Что могут чувствовать люди, но не могут чувствовать роботы?

При помощи камер роботы могут “видеть”, но испытывают трудности с понимание того, что они видят. Робот может получить с камеры изображение, состоящее из миллионов пикселей. Но без сложного программирования, он не будет знать, что любой из этих точек обозначает.

Датчики расстояния указывают расстояние до объекта, но нужно, чтобы робот не врезался в препятствие или объект. Исследователи и компании экспериментируют с различными подходами к датчикам роботов. Дополнительно разрабатываются датчики, которые позволяет роботу не только “видеть” но “понимать” что он видит.

Это может занять длительное время, прежде чем сможет различить объекты, расположенные перед ним на столе. Особенно если они расположены не так как в базе данных объектов.

Роботы очень плохо различают то, что связано со вкусом или обонянием.

Человек может сказать вам, “это является на вкус сладким” или “это плохо пахнет”, в то время как роботу необходимо провести анализ химического состава. Затем нужно искать вещества в базе данных, чтобы определить, что у человека отмечено на вкус как “сладкое” или на запах как “плохой”.

Такие датчики роботов как датчики вкуса и обоняния разрабатывались мало. В первую очередь потому что не было большого спроса на робота, который может различать вкус или запах.

Люди имеют множество нервных окончаний на всей своей коже, и мы знаем, когда мы дотронулись до какого-либо предмета или что-то коснулось нас. Роботы оборудованы кнопками или простыми контактами, размещенными в стратегически важных местах. Например, на переднем бампере, чтобы определить, вступает ли он в контакт с объектом.

Роботы типа «домашние животные» могут иметь контакты или группу датчиков, расположенных на голове, ногах или спине, но если вы попытаетесь прикоснуться к зоне, где нет датчика, робот не поймет, что его касались, и не будет реагировать. Поскольку исследования в области гуманоидных роботов продолжаются, возможно, такие датчики роботов как “электромеханическая кожа” будет развиваться.

Что могут чувствовать роботы, но не могут чувствовать люди?

Робот не может сказать вам приятное на вкус или запах вещество. Хотя этапы анализа химического состава могут дать ему гораздо больше информации, чем нормальный человек может знать о его свойствах. Если робот оснащен датчиком окиси углерода, то он будет в состоянии обнаружить угарный газ.

Это повысит безопасность так как угарный газ не имеет цвета и запаха для человека. Робот также будет в состоянии сказать вам уровень рН вещества. Следовательно может определить, она кислая или щелочная, и многое, многое другое.

Люди используют пару глаз, чтобы получить визуальную информацию, хотя многие люди не могут определить точно расстояние до объекта. Человек может сказать вам, что до дерева около 20 метров. В то же самое время робот, оснащенный датчиками расстояния, может сказать вам, что до дерева 21.1 метра.

Кроме того, роботы могут дать точные значения различных факторов окружающей среды, про которые люди не знают или не способны воспринимать.

Например, робот может сказать вам какое у него точное угловое или линейное ускорение. Хотя большинство людей большинство людей скорее всего определит что он передвигается или поворачивает.

Человек может сказать вам на основе своего опыта, что предмет горячий или холодный, не прикасаясь к нему. В то время как тепловизор может предоставить 2D тепловое изображение, находящееся перед ним. Хотя у человека есть пять основных чувств, датчики роботов могут иметь практически бесконечное количество разновидностей.

Какие датчики необходимы для вашего робота?

Итак, какие типы датчиков доступны, а какие датчики нужны вашему роботу? Вы должны сначала спросить себя, для каких целей нужен робот и что он должен измерять. Затем ниже можно посмотреть какие бывают типы датчиков для роботов.

Есть большая вероятность того, что вам не подойдет ни одна их перечисленных ниже категорий, поэтому постарайтесь определить основные элементы робота и разбить задачу на составляющие.

Датчики для роботов бывают:

1. контактные
2. дистанционные
3. позиционирования
4. реагирующие на условия окружающей среды
5. использующие вращение
6. и другие

Контактные датчики.

— Кнопка / контактный выключатель.

Переключатели, кнопки и контактные датчики используются для обнаружения физического контакта между объектами, а не ограничиваются только людьми, нажимающими на кнопки.

Бампер робота может быть оснащен датчиком касания или кнопкой. Дополнительно “усы” (как и у животного) могут использоваться для обнаружения объекта на различных расстояниях.

• Преимущества: очень низкая цена, простота интеграции, надежность.
• Недостатки: расстояние измерения ограничено.

— Датчики измерения давления

Кнопка, которая предлагает одно из двух возможных показаний (ON или OFF). В результате датчик робота производит выходной сигнал, пропорциональный прилагаемой к нему силе.

• Преимущества: позволяет измерять, сколько силы применяется.
• Недостатки: могут быть неточными и сложнее в использовании, чем простые коммутаторы.

Дистанционные датчики

— Ультразвуковые датчики

Датчики, которые используют ультразвуковые сигналы для измерения времени между отправкой сигнала и возвратом его эхо-сигнала называются ультразвуковыми. Датчики роботов в этом случае созданы на основе изучения летучих мышей, дельфинов и других животных.

Ультразвуковые дальномеры могут измерять диапазон расстояний, но используются, в частности, в воздухе и зависят от отражающей способности различных материалов.

• Преимущества: измерение среднего диапазона (несколько метров).
• Недостатки: поверхности и факторы окружающей среды могут повлиять на показания.

— Инфракрасные датчики

Инфракрасный диапазон также может использоваться для измерения расстояния. Некоторые инфракрасные датчики измеряют одно конкретное расстояние, в то время как другие обеспечивают выходной сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта.

• Преимущества: низкая стоимость, достаточно надежные и точные.
• Недостатки: более широкий диапазон, чем у ультразвуковых датчиков.

— Лазер

Лазеры используются, когда требуется высокая точность, или большое расстояние до объекта, или когда присутствуют оба фактора. Сканирующие лазерные дальномеры используют спин-лазеры (ультрабыстрые лазеры) для двумерного сканирования расстояния до объектов.

• Преимущества: очень точные с очень большим диапазоном.
• Недостатки: намного дороже, чем обычные инфракрасные или ультразвуковые датчики.

— Энкодеры

Оптические энкодеры часто используют пару светодиод фотодиод. На валу установлен диск с отверстиями, через которые сигнал со светодиода попадает на фотодиод и считывается количество импульсов.

Определенное количество отверстий соответствует полному углу, пройденному колесом. Зная радиус колеса, вы можете определить общее расстояние, пройденное этим колесом. Два энкодера дают вам относительное расстояние в двух измерениях.

• Преимущества: если нет скольжения, то высокая точность измерения. Часто устанавливается на задний вал двигателя.
• Недостатки: требуется дополнительное программирование, более точные оптические энкодеры могут дорого стоить.

— Линейный потенциометр

Линейный потенциометр способен измерять абсолютное положение объекта.

• Преимущества: точно измеряет абсолютное положение.
• Недостатки: маленький диапазон.

— Датчики растяжения и изгиба

Датчик растяжения состоит из материала, сопротивление которого изменяется в зависимости от того, насколько он растянут. Датчик изгиба обычно представляет собой сэндвич из материалов, где сопротивление одного из слоев изменяется в зависимости от того, насколько он был согнут.

Их можно использовать для определения небольшого угла или поворота, например, сколько пальцев было согнуто.

• Преимущества: полезно, когда ось вращения является внутренней или недоступной.
• Недостатки: небольшая точность и возможность измерения только малых углов.

— Стереокамера

Как и человеческие глаза, две камеры, расположенные на расстоянии друг от друга, могут предоставлять информацию о глубине (стереовидение). Роботы, оснащенные камерами, могут быть одними из самых способных и сложных роботов.

Камера, в сочетании с правильным программным обеспечением, может обеспечить хорошее распознавание цвета и объектов.

Преимущества: возможность предоставления подробной информации и хорошая обратная связь.

Недостатки: сложность в программирование и в использовании информации.

Датчики позиционирования

— Локализация в помещении (навигация в комнате)

Внутренняя система локализации может использовать несколько маяков для триангуляции (определение взаимного расположения точек на поверхности) положения робота в помещении, в то время как другие используют камеру и ориентиры.

• Преимущества: отлично подходит для абсолютного позиционирования
• Недостатки: требуется сложное программирование и использование маркеров.

— GPS

GPS использует сигналы от нескольких спутников, вращающихся вокруг планеты, чтобы определить их географические координаты.

Устройства GPS могут обеспечить географическое позиционирование с точностью до 5 метров, в то время как более сложные системы, включающие обработку данных и исправление ошибок, благодаря использованию других единиц GPS или ИДУ, могут иметь точность до нескольких сантиметров.

• Преимущества: не требует маркеров или других ссылок.
• Недостатки: могут работать только на открытом пространстве.

Датчики вращения

— Потенциометр

Поворотный потенциометр – это, по сути, делитель напряжения и обеспечивает аналоговое напряжение, соответствующее углу поворота ручки.

• Преимущества: простой в использовании, недорогой, достаточно точный, обеспечивает абсолютные показания.
• Недостатки: большинство из них ограничены 300 градусами вращения.

— Гироскоп

Электронный гироскоп измеряет скорость углового ускорения и подает соответствующий сигнал (аналоговый сигнал напряжения, последовательный канал связи, с I2C и т. д.). В электронном гироскопе используются пьезопластины.

• Преимущества: отсутствие «механических» компонентов.
• Недостатки: датчик всегда подвергается угловому ускорению, тогда как микроконтроллер не всегда может принимать непрерывный входной сигнал, то есть значения теряются, что приводит к ”дрейфу" значений

— Энкодеры

Оптические энкодеры используют мини — инфракрасные пары передатчика / приемника. Количество разрывов инфракрасного пучка соответствует полному углу, пройденному колесом.

Механический энкодер использует очень тонко обработанный диск с достаточным количеством отверстий, чтобы читать определенные углы. Поэтому механические датчики могут использоваться как для абсолютного, так и для относительного вращения.

• Преимущества: точность.
• Недостатки: у оптических энкодеров угол поворота является относительным (не абсолютным) от исходного положения.

Датчики роботов, реагирующие на условия окружающей среды

— Датчик света

Датчик света может использоваться для измерения интенсивности источника света, будь то естественным или искусственным. Обычно его сопротивление пропорционально интенсивности света.

• Преимущества: обычно очень недорогие и очень полезные.
• Недостатки: не могут различать источник или тип света.

— Датчик звука

Датчик звука — это, по сути, микрофон, который возвращает напряжение, пропорциональное уровню окружающего шума. Более сложные платы могут использовать данные из микрофона для распознавания речи.

• Преимущества: дешевый и надежный датчик.
• Недостатки: для того, чтобы расшифровать важную информацию требуется сложное программное обеспечение.

— Температурные датчики

Температурные датчики могут использоваться для измерения температуры окружающей среды или в сложных условиях, например в нагревательных элементах, печах и т.д.

• Преимущества: могут быть высокоточными.
• Недостатки: более сложные и точные датчики могут быть более сложными в использовании.

— Тепловизионная камера

Тепловизионный датчик (камера) инфракрасного или теплового изображения позволяет получить полное 2D-тепловое изображение всего, что находится перед камерой тепловизора. Таким образом, можно определить температуру объекта.

• Преимущества: можно выборочно на расстоянии измерять тепловую активность объектов.
• Недостатки: высокая стоимость

— Датчики измерения влажности

Датчики влажности определяют процентное содержание воды в воздухе и часто соединяются с датчиками температуры.

— Барометрический датчик давления

Датчик давления (который также может быть барометрическим датчиком) может использоваться для измерения атмосферного давления. Следовательно может дать представление о высоте БПЛА (беспилотный летательный аппарат).

— Датчики газа

Датчики газа используются для определения наличия и концентрации различных газов. Однако они нужны только специализированных робототехнических комплексов.

• Преимущества: это единственные датчики роботов, которые могут быть использованы для точного обнаружения газа
• Недостатки: недорогие датчики могут давать ложные срабатывания или несколько неточны и поэтому не должны использоваться для критически важных задач.

— Магнитометры

Магнитометры могут быть использованы для обнаружения магнитов и магнитных полей. Также может определить полярность.

• Преимущества: помогает обнаружить ферромагнитные металлы.
• Недостатки: в некоторых случаях датчики могут быть повреждены сильными магнитами.

Датчики, использующие вращение

— Компас

Цифровой компас способен использовать магнитное поле Земли для определения его ориентации относительно магнитных полюсов. Наклон компаса компенсируется и учитывает тот факт, что робот не может передвигаться строго горизонтально.

• Преимущества: обеспечивает абсолютную навигации.
• Недостатки: более высокая точность увеличивает цену.

— Гироскоп

Электронные гироскопы способны определять угол наклона по одной или нескольким осям. Механические датчики наклона, как правило, определяют наклон робота при помощи ртути в стеклянных капсулах или шарах.

• Преимущества: электронные гироскопы имеют более высокую точность, чем механические.
• Недостатки: более высокая стоимость.

— Акселерометры

Акселерометры измеряют линейное ускорение. Это позволяет измерять гравитационное ускорение или любое другое ускорение, которое испытывает робот.

Это может быть хорошим вариантом для приблизительной оценки расстояния, если ваш робот не может использовать окружающую среду для уточнения координат.

Акселерометры могут измерять ускорение вдоль одной, двух или трех осей. Трехосевой акселерометр позволяет измерять все углы наклона сенсора в пространстве.

• Преимущества: они не требуют никаких внешних ссылок или маркеров для функционирования, и может обеспечить абсолютную ориентацию по отношению к гравитационному полю Земли или определить относительную ориентацию.
• Недостатки: они только приблизительно оценивают пройденное расстояние и не могут точно определить его.

— ИИБ

Инерциальный измерительный блок сочетает в себе мультиосевой акселерометр с мультиосевым гироскопом и иногда мультиосевым магнитометром для того, чтобы более точно измерить крен.Такие датчики роботов достаточно сложные.

• Преимущества: это очень надежный способ измерения без использования внешних ссылок (кроме магнитного поля Земли)
• Недостатки: может быть очень дорогим и сложным в использовании.

И другие

Датчики тока и напряжения измеряют ток и/или напряжение конкретной электрической цепи. Это может быть очень полезно для определения того, сколько ваш робот сможет работать (измерять напряжение аккумуляторной батареи) или, если ваши моторы слишком сильно работает (измерения тока).

• Преимущества: они делают именно то, что они предназначены.
• Недостатки: могут вносить изменения в измеряемое напряжение или ток. Иногда требуется изменить измеряемую электрическую цепь.

— Магнитные датчики

Магнитные датчики и магнитометры способны обнаружить магнитные предметы и могут требовать контакта с объектом, или должны быть расположены относительно близко к объекту.

Такие датчики роботов могут использоваться на автономной газонокосилке для обнаружения провода, проложенного по газону или для поиска скрытой проводки в квартире.

• Преимущества: как правило, недорогие
• Недостатки: как правило, должны располагаться относительно близко к объекту, и к сожалению, не могут обнаруживать немагнитные металлы.

— Датчики вибрации

Датчики вибрации предназначены для обнаружения вибрации объекта с помощью пьезоэлектрических или других технологий.

— Технологии RFID

Технология RFID – это технология беспроводного обмена данными посредством радиосигнала между электронной меткой, которая помещается на объект и специальным радиоэлектронным устройством, которое считывает сигнал метки.

Устройства радиочастотной идентификации могут использовать как активные (с питанием), так и пассивные (без питания) RFID-метки обычно имеющие размер и форму кредитной карты, небольшой плоский диск или дополнение к брелоку (другие формы также возможны).

Когда метка RFID находится на определенном расстоянии от считывателя RFID, создается сигнал с идентификатором тега.

• Преимущества: RFID метки обычно имеют очень низкую стоимость и могут определяться индивидуально.
• Недостатки: бесполезно для измерения расстояния, кроме случаев, когда метка находится в пределах диапазона.

Практическая часть

Типичным примером, демонстрирующим автономную работу робота, является робот на базе набора Lego EV3 для движения по линии при помощи одного или двух датчиков цвета. В этом случае датчики робота определяют яркость отраженного света.

Инфракрасный датчик входит домашнюю версию набора Lego mindstorms EV3. Это единственный датчик, который может применяться как самостоятельно, так и в паре с инфракрасным маяком, тоже являющимся частью домашнего набора. Следующие два урока мы посвятим изучению этих двух устройств, а также их взаимодействию между собой.

8.1. Изучаем инфракрасный датчик и инфракрасный маяк

(Рис. 1) в своей работе использует световые волны, невидимые человеку - инфракрасные волны* . Такие же волны используют, например, дистанционные пульты управления различной современной бытовой техникой (телевизорами, видео и музыкальными устройствами). Инфракрасный датчик в режиме "Приближение" самостоятельно посылает инфракрасные волны и, поймав отраженный сигнал, определяет наличие препятствия перед собой. Еще два режима работы инфракрасный датчик реализует в паре с инфракрасным маяком (Рис. 2) . В режиме "Удаленный" инфракрасный датчик умеет определять нажатия кнопок инфракрасного маяка, что позволяет организовать дистанционное управление роботом. В режиме "Маяк" инфракрасный маяк посылает постоянные сигналы, по которым инфракрасный датчик может определять примерное направление и удаленность маяка, что позволяет запрограммировать робота таким образом, чтобы он всегда следовал в сторону инфракрасного маяка. Перед использованием инфракрасного маяка в него необходимо установить две батарейки AAA.

Рис. 1

Рис. 2

8.2. Инфракрасный датчик. Режим "Приближение"

Этот режим работы инфракрасного датчика похож на режим определения расстояния ультразвуковым датчиком. Разница кроется в природе световых волн: если звуковые волны отражаются от большинства материалов практически без затухания, то на отражение световых волн влияют не только материалы, но и цвет поверхности. Темные цвета в отличие от светлых сильнее поглощают световой поток, что влияет на работу инфракрасного датчика. Диапазон работы инфракрасного датчика также отличается от ультразвукового - датчик показывает значения в пределах от 0 (предмет находится очень близко) до 100 (предмет находится далеко или не обнаружен). Еще раз подчеркнем: инфракрасный датчик нельзя использовать для определения точного расстояния до объекта, так как на его показания в режиме "Приближение" оказывает влияние цвет поверхности исследуемого предмета. В свою очередь это свойство можно использовать для различия светлых и темных объектов, находящихся на равном расстоянии до робота. С задачей же определения препятствия перед собой инфракрасный датчик справляется вполне успешно.

Решим практическую задачу, похожую на Задачу №14 Урока №7 , но, чтобы не повторяться, усложним условие дополнительными требованиями.

Задача №17: написать программу прямолинейно движущегося робота, останавливающегося перед стеной или препятствием, отъезжающего немного назад, поворачивающего на 90 градусов и продолжающего движение до следующего препятствия.

У робота, собранного по инструкции small-robot-31313 , впереди по ходу движения установлен инфракрасный датчик. Соединим его кабелем с портом "3" модуля EV3 и приступим к созданию программы.

Рассмотрим программный блок "Ожидание" Оранжевой палитры, переключив его в Режим: - "Сравнение" - "Приближение" (Рис. 3) . В этом режиме программный блок "Ожидание" имеет два входных параметра: "Тип сравнения" и "Пороговое значение" . Настраивать эти параметры мы уже умеем.

Рис. 3

Решение:

1. Начать прямолинейное движение вперед
2. Ждать, пока пороговое значение инфракрасного датчика станет меньше 20
3. Прекратить движение вперед
4. Отъехать назад на 1 оборот двигателей
5. Повернуть вправо на 90 градусов (воспользовавшись знаниями Урока №3, рассчитайте необходимый угол поворота моторов)
6. Продолжить выполнение пунктов 1 - 5 в бесконечном цикле.

Попробуйте решить Задачу № 17 самостоятельно, не подглядывая в решение.

Рис. 4

А теперь для закрепления материала попробуйте адаптировать решение Задачи №15 Урока №7 к использованию инфракрасного датчика! Получилось? Поделитесь впечатлениями в комментарии к уроку...

8.3. Дистанционное управление роботом с помощью инфракрасного маяка

Инфракрасный маяк, входящий в домашнюю версию конструктора Lego mindstorms EV3, в паре с инфракрасным датчиком позволяет реализовать дистанционное управление роботом. Познакомимся с маяком поближе:

1. Пользуясь инфракрасным маяком, направляйте передатчик сигнала (Рис. 5 поз. 1) в сторону робота. Между маяком и роботом должны отсутствовать любые препятствия! Благодаря широкому углу обзора инфракрасный датчик уверено принимает сигналы, даже если маяк располагается позади робота!
2. На корпусе маяка расположены 5 серых кнопок (Рис. 5 поз. 2) , нажатия которых распознает инфракрасный датчик, и передает коды нажатий в программу, управляющую роботом.
3. С помощью специального красного переключателя (Рис. 5 поз. 3) можно выбрать один из четырех каналов для связи маяка и датчика. Сделано это для того, чтобы в непосредственной близости можно было управлять несколькими роботами.

Рис. 5

Задача №18: написать программу дистанционного управления роботом с помощью инфракрасного маяка.

Мы уже знаем, что для реализации возможности выбора выполняющихся блоков необходимо воспользоваться программным блоком "Переключатель" Оранжевой палитры. Установим режим работы блока "Переключатель" в - "Измерение" - "Удалённый" (Рис. 6) .

Рис. 6

Для активации связи между инфракрасным датчиком и маяком необходимо установить правильное значение параметра "Канал" (Рис. 7 поз. 1) в соответствии с выбранным каналом на маяке! Каждому программному контейнеру блока "Переключатель" необходимо сопоставить один из возможных вариантов нажатия серых клавиш (Рис. 7 поз. 2) . Заметьте: некоторые варианты включают одновременное нажатие двух клавиш (нажатые клавиши помечены красным цветом). Всего в программном блоке "Переключатель" в этом режиме можно обрабатывать до 12 различающихся условий (одно из условий должно быть выбрано условием по умолчанию). Добавляются программные контейнеры в блок "Переключатель" нажатием на "+" (Рис. 7 поз.3) .

Рис. 7

Предлагаем реализовать следующий алгоритм управления роботом:

• Нажатие верхней левой кнопки включает вращение левого мотора, робот поворачивает вправо (Рис. 7 поз. 2 значение: 1)
• Нажатие верхней правой кнопки включает вращение правого мотора, робот поворачивает влево (Рис. 7 поз. 2 значение: 3)
• Одновременное нажатие верхних левой и правой кнопок включает одновременное вращение вперед левого и правого мотора, робот двигается вперед прямолинейно (Рис. 7 поз. 2 значение: 5)
• Одновременное нажатие нижних левой и правой кнопок включает одновременное вращение назад левого и правого мотора, робот двигается назад прямолинейно (Рис. 7 поз. 2 значение: 8)
• Если не нажата ни одна кнопка маяка - робот останавливается (Рис. 7 поз. 2 значение: 0) .

При разработке алгоритма дистанционного управления вы должны знать следующее: когда нажата одна из комбинаций серых кнопок - инфракрасный маяк непрерывно посылает соответствующий сигнал, если кнопки отпущены, то отправка сигнала прекращается. Исключение составляет отдельная горизонтальная серая кнопка (Рис. 7 поз 2 значение: 9) . Эта кнопка имеет два состояния: "ВКЛ" - "ВЫКЛ" . Во включенном состоянии маяк продолжает посылать сигнал, даже если вы отпустите кнопку (о чём сигнализирует загорающийся зеленый светодиод), чтобы выключить отправку сигнала в этом режиме - нажмите горизонтальную серую кнопку еще раз.

Приступим к реализации программы:

Наш алгоритм дистанционного управления предусматривает 5 вариантов поведения, соответственно наш программный блок "Переключатель" будет состоять из пяти программных контейнеров. Займемся их настройкой.

1. Вариантом по умолчанию назначим вариант, когда не нажата ни одна кнопка (Рис. 7 поз. 2 значение: 0) . Установим в контейнер программный блок , выключающий моторы "B" и "C" .
2. В контейнер варианта нажатия верхней левой кнопки (Рис. 7 поз. 2 значение: 1) установим программный блок "Большой мотор" , включающий мотор "B" .
3. В контейнер варианта нажатия верхней правой кнопки (Рис. 7 поз. 2 значение: 3) установим программный блок "Большой мотор" , включающий мотор "C" .
4. В контейнер варианта одновременного нажатия верхних левой и правой кнопок (Рис. 7 поз. 2 значение: 5) установим программный блок "Независимое управление моторами" "B" и "C" вперед.
5. В контейнер варианта одновременного нажатия нижних левой и правой кнопок (Рис. 7 поз. 2 значение: 8) установим программный блок "Независимое управление моторами" , включающий вращение моторов "B" и "C" назад.
6. Поместим наш настроенный программный блок "Переключатель" внутрь программного блока "Цикл" .

По предложенной схеме попробуйте создать программу самостоятельно, не подглядывая в решение!

Рис. 8

Загрузите получившуюся программу в робота и запустите её на выполнение. Попробуйте управлять роботом с помощью инфракрасного маяка. Всё ли у вас получилось? Понятен ли вам принцип реализации дистанционного управления? Попробуйте реализовать дополнительные варианты управления. Напишите свои впечатления в комментарии к этому уроку.

* Хотите увидеть невидимые волны? Включите режим фотосъемки в мобильном телефоне и поднесите излучающий элемент дистанционного пульта от телевизора к объективу мобильного телефона. Нажимайте кнопки пульта дистанционного управления и на экране телефона наблюдайте свечение инфракрасных волн.