ELEKTRONSKI FAKULTET NI

Servisna robotika

Seminarski rad

Tema:

Mobilna robotska platforma

Profesor: Studenti:

Dr Goran orevi Darko Jovanovi 12594

Asistent: Dejan Jovanovi 12595

Darko Todorovi Aleksandar Markovi 12634

Bojan Markovi 12636

Saa Petrovi 12720

1

Sadraj Motivacija ....................................................................................................................................... 2

Opis mobilne platforme .................................................................................................................. 2

Upravljako kolo ............................................................................................................................. 3

Platforma ..................................................................................................................................... 3

Hardver ....................................................................................................................................... 3

Princip rada H-mosta .................................................................................................................. 4

Softver ......................................................................................................................................... 6

Impulsno irinska modulacija ..................................................................................................... 8

Aktuatori ....................................................................................................................................... 10

Senzori .......................................................................................................................................... 11

Zakljuak....................................................................................................................................... 14

Literatura ....................................................................................................................................... 15

2

Motivacija S razvojem elektronike i savremenog drutva poveavale su se i potrebe za uvoenjem vetake

inteligencije zarad obavljanja nekih zadataka. Naime, sve vreme se tei ka tome da se ovek u

potpunosti bavi intelektualnim delom posla a da roboti preuzmu fizike poslove.

Naa ideja bila je da osmislimo mobilnu robotsku platformu, koja radi autonomno, bez

ikakvog uticaja oveka. Kao osnovni model uzeli smo platformu sa etiri toka i dva

elektromotora koja kontroliu kretanje. Takav osnovni model se lako moe unaprediti kako bi

obavljao daleko komplikovanije poslove od samog kretanja kao na primer kune poslove

(usisavanje prostorije, ribanje podova ...) ili poslove u vojsci (osmatranje, noenje eksploziva,

detekciju mina...).

Opis mobilne platforme Mobilna platforma se sastoji od:

dela za upravljanje (Arduino Uno),

aktuatora i

senzora.

Slika 1: Mobilna platforma

3

Upravljako kolo

Platforma

Arduino je fiziko-raunarska platforma (razvojni sistem) otvorenog koda. Hardver se sastoji od

jednostavnog otvorenog hardverskog dizajna Arduino ploe sa Atmel AVR procesorom i

prateim ulazno-izlaznim elementima. Softver se sastoji od razvojnog okruenja koje ine

standardni kompajler i bootloader koji se nalazi na samoj ploi.

Arduino hardver se programira koristei programski jezik zasnovan na Wiring jeziku (sintaksa i

biblioteke). U osnovi je slian C++ programskom jeziku sa izvesnim pojednostavljenjima i

izmenama. Integrisano razvojno okruenje je zasnovano na Processing-u.

Hardver

Arduino plou ine 8-bitni Atmel AVR mikrokontroler sa pripadajuim komponentama koje

omoguavaju programiranje i povezivanje sa drugom elektronikom. Bitan aspekt Arduino

projekta je standardizovan raspored konektora koji omoguava lako povezivanje sa dodatnim

modulima, poznatijim kao titovi (sheilds). Ove dodatne module, titove, poizvode razni

proizvoai irom sveta. Zvanina Arduino Uno ploa koristi megaAvr kontroler, konkretno

ATmega328. Ploa poseduje 5V linearni naponski regulator i 16MHz kristalni oscilator. Arduino

mikrokontroleri se isporuuju sa programiranim bootloader-om koji pojednostavljuje postupak

prebacivanja prevedenog koda u fle memoriju na ipu. Drugi mikrokontroleri obino zahtevaju

zaseban programator.

Slika 2: Arduino Uno

Uz Arduino uno korieno je aktuatorsko kolo sa H-mostom (L293NE) koje slui za kontrolu i

promenu smera kretanja motora i 8 dioda koje slue kao zatita od vraanja struje u H-most.

4

Slika 3 ema H-mosta

Princip rada H-mosta

Upravljanje jednosmernim motorom sa stalnim magnetom se zasniva na promeni vrednosti

napona i polariteta na krajevima rotora. Kada napon na rotoru raste od nulte do maksimalne

vrednosti brzina obrtanja vratila takoe raste od nulte do maksimalne vrednosti. Za promenu

smera obrtanja vratila motora potrebno je obrnuti polaritet napona na rotoru.

Jedna od moguih realizacija promene efektivne vrednosti napona i polariteta na rotoru je

mogue ostvariti pomou H-mosta. Izgled napona i struja na rotoru i upravlajkom sklopu H-

mosta prikazan je i opisan u ovom tekstu.

Kada elimo da pokrenemo vratilo motora u jednom smeru (npr. Smer = 1 stuja tee od VoA ka

VoB) gornji mosfet T1 je neprekidno ukljuen (VoA = Vcc) (VoA je napon na levom kraju

rotora motora) videti sliku 4. a) dok se pomou mosfeta T4 kontrolie srednja vrednost napona

na motoru dovoenjem PWM-a na gejt mosfeta T4. U trenutku kada provode tranzistori T1 i T4,

ekvivalentnu elektrinu emu predstavlja redna veza otpornika, induktora i elektromotorne sile

slika 4. b).

Slika 4: a) Punjenje induktivnosti motora; b) Ekvivalentna elektrina ema

5

Sve dok tranzistori T1 i T4 provode, struja raste videti sliku 5. Ako je faktor ispune jedan tj.

praktino je na motor prikljuen napon baterije bez PWM-a struja e biti konstantna.

Slika 5: Talasni oblici PWM-a, napona motora i struje motora

Kada PWM postane neaktivan, odnosno kada se iskljui mosfet T4, motor prelazi u reim

koenja. Zbog induktivnosti struja se ne menja trenutno, a poto se T4 iskljuio dolazi do

provoenja diode D3 tranzistora T3 slika 6.c). Krajevi motora su kratko spojeni, to znai da je

struja motora posledica samo elektromotorne sile.

Slika 6: c) Koenje motora d) Ekvivalentna elektrina ema

6

U sluaju nepostojanja PWM-a, konana vrednost struje bi bila nula. Ako su krajevi motora

ostali na istom potencijalu, motor je u ukoenom stanju i suprostavlja se spoljanjim uticajima do

odreene granice. Meutim, struja e opadati do trenutka kada PWM postane ponovo aktivan tj.

do trenutka kada provede mosfet T4. Kada se promeni smer obrtanja vratila motora mosfet T3 se

trajno ukljuuje (VoB = Vcc) dok se PWM dovodi na mosfet T2.

Poeljno je pri upravljanju motora kod promene smera obrtanja vratila prvo zaustaviti vratilo i

tek tada izvriti promenu smera i kontinualno ubrzanje obrtanja vratila u suprotnom smeru.

Slika 7: PCB H-mosta

Koriene komponente:

L293NE integrisano kolo

7805T stabilizator napona na 5V

dva kondenzatora kapaciteta 100F

osam ispravljakih dioda

Softver

Arduino integrisano razvojno okruenje je aplikacija napisana u Java programskom jeziku.

Kreirano je tako da uvede u programiranje umetnike, studente i ostale poetnike koji nisu

upoznati sa nainom razvoja softvera. Sastoji se od ureivaa koda sa mogunostima kao to su

oznaavanje koda, uparivanje zagrada, automatsko uvlaenje linija. Ovaj ureiva moe da

7

prevede kd a zatim ga i prebaci u ip jednom komandom. U ovom sluaju nije potrebno

podaavati parametre prevoenja koda ili pokretati programe iz komandne linije.

Arduino integrisano razvojno okruenje dolazi sa C/C++ bibliotekom zvanom "Wiring" koja ini

uobiajene ulazno-izlazne operacije veoma jednostavnim. Arduino programi se pisu u C/C++

programskom jeziku, mada korisnici moraju da definiu samo dve funkcije kako bi napravili

izvrni program. Te funkcije su:

setup() funkcija koja se izvrava jednom na poetku i slui za poetna podeavanja

loop() funkcija koja se izvrava u petlji sve vreme dok se ne iskljui ploa

Arduino kod za mobilnu platformu:

8

Impulsno irinska modulacija

Impulsno irinska modulacija je vrsta upravljanja koja predstavlja nain da se od digitalnog

signala napravi signal analogne vrednosti. Korienjem brojaa sa visokom rezolucijom, odnos

impuls/pauza se modulie da odgovara specificiranom nivou analognog signala. U literature se

esto naziva i PWM, po skraenici od engleskog naziva: Pulse Width Modulation.

PWM kontrola je mona tehnika za upravljanje analognim kolima pomou digitalnih izlaza.

PWM je primenjena u irokom spektru aplikacija, od primene u merenjima i komunikacijama,

sve do primene u kontroli snage i konverzijama elektrine energije u druge oblike (zvuk,

mehaniku energiju).

Analogni signal ima kontinualno promenljivu vrednost amplitude, kao i beskonanu rezoluciju i

po vremenskoj osi i po amplitudi. Jedan od primera analognog ureaja je baterija od 9V, pri

emu njen izlaz nije tano 9V nego se menja u vremenu i moe da uzme vrednost bilo kog

realnog broja u blizini 9V. Slino i struja koja tee iz baterije nije ograniena brojem moguih

vrednosti. Analogni signali se razlikuju od digitalnog jer se kod digitalnog signala uvek uzima

vrednost iz konanog skupa predefinisanih moguih vrednosti, kao to je npr. skup {0V,5V}.

Analogni napon i struja se mogu koristiti za direktnu kontrolu, kao to je jaina zvuka na radiju.

Okretanjem potenciometra se poveava i smanjuje otpornost na krajevima potenciometra i time

se proporcionalno menja i struja koja tee kroz njega. Ova promena utie i na promenu struje

koja tee kroz zvunik pa time utie i na jainu zvuka.

9

Glavna prednost analognih kola je uglavnom jednostavnost kako to na prvi pogled izgleda. Ali

izbor analognog reenja esto nije praktian, ekonomian i dovoljno atraktivan. Analogna kola

takoe vremenom menjaju svoje osobine. Precizna analogna kola u kojima je taj problem reen

mogu biti velika i skupa. Takoe postoji problem disipacije jer je ona srazmerna naponu na

krajevima kola i struji koja kroz kolo tee, pa je potrebno njegovo hlaenje. Analogna kola su

takoe osetljiva na um.

Digitalnom kontrolom analognih kola, cena i potronja se drastino mogu smanjiti. ta vie,

mnogi mikrokontroleri i DSP (eng. Digital Signal Processors) ve imaju implementiran generator

PWM signala ime se olakava realizacija ureaja.

Ukratko, PWM je nain da se od digitalnog signala napravi signal analogne vrednosti.

Korienjem brojaa sa visokom rezolucijom, odnos impuls/pauza se modulie da odgovara

specificiranom nivou analognog signala. PWM signal je i dalje digitalni zato to je u datom

vremenskom periodu napajanje potpuno ukljueno ili potpuno iskljueno. Naponski ili strujni

izvor se dovodi na analogno kolo putem povorke impulsa sa odgovarajuim odnosom

impuls/pauza. Koristei dovoljno usku periodu, bilo koja analogna vrednost koja upada u opseg

mogunosti izvora moe se postii putem PWM signala.

Na slici 8 su prikazani PWM signali sa tri razliita odnosa impuls/pauza , odnosno sa tri razliita

faktora ispune. Na sl. 1.a je prikazan signal sa faktorom ispune 0,1, na sl. 8.b je prikazan signal

sa faktorom ispune 0,5 i na sl. 8.c je prikazan signal sa faktorom ispune 0,9. Ova tri signala

reprezentuju tri vrednosti analognog signala. Ako je npr. napon napajanja 9V tada navedeni

signali na svom izlazu daju vrednosti od 0.9V, 4.5V i 8.1V respektivno.

Slika 8: PWM signali sa razliitim faktorima ispune

10

PWM signal je naao iroku primenu u mnogim oblastima. Pored prethodno navedenih tu

su i primena u regulaciji napona napajanja. U regulaciji napona napajanja postiu se rezultati sa

visokim koeficijentom korisnog dejstva. PWM se ponekad koristi za sintezu zvuka jer mogu da

se postignu lepi efekti. Primena u audio tehnici je nova klasa audio pojaavaa koja postaje sve

popularnija. Zove se klasa-D audio pojaavaa. Ovi pojaavai proizvode PWM ekvivalent

analognog ulaznog signala, koji se vodi na zvunike putem odgovarajue mree filtara. Time se

signal vraa na originalni audio signal. Ovi pojaavai se karakteriu visokim faktorom korisnog

dejstva koji je ak i preko 90%, kao i malim prostorom i teinom u odnosu na izlaznu snagu.

PWM signal se iroko koristi za kontrolu brzine DC i AC motora, za upravljanje invertorima i

mnogim drugim oblastima u elektronici i elektroenergetici.

Aktuatori Za aktuatorsku platformu koriena je automobil igraka na daljinsko upravljanje (Slika 9).

Slika 9: Igraka na daljinsko upravljanje

Igraka se sastoji od dva elektromotora koja se napajaju baterijama i slue za kretanje

platforme. Motor koji se nalazi na zadnjoj osovini slui za pravolinijsko kretanje platforme, dok

motor koji se nalazi na prednjoj osovini slui za skretanje. Raspored motora prikazan je na slici.

11

Slika 10: Osnova platform

Senzori Infracrveni senzori koriste infracrvene zrake za detekciju predmeta u okruenju i izvora toplote.

Princip merenja udaljenosti do objekta se zasniva na merenju upadnog ugla reflektovanog

infracrvenog zraka. Postoje analogni i digitali senzori. Analogni senzori na izlazu daju

kontinualan napon u zavisnosti od daljine objekata, dok digitalni imaju u sebi A/D konvertor koji

konvertuje analogni signal u digitalni i tako je lake prilagodljiv mikrokontrolerima.

Za detekciju prepreke korieni su infracrveni senzori daljine. Infracrveni senzor

prevashodno se sastoji od infracrvenog predajnika i prijemnika (slika 11).

Slika 11: Princip rada IR senzora

Deo predajnika u svom sastavu sadri integrisano kolo NE555 koje slui za davanje

frekvencije infracrvenoj diodi. NE 555 je zapravo timer ali se u ovom sluaju koristi kao

oscilator koji oscilira na frekvenciji od 38 kHz. Ta frekvencija je bitna zato to infracrveni

prijemnik reaguje na infracrvene signale te frekvencije. Da bi se ta frekvencija ostvarila

neophodno je integrisano kolo NE555 povezati na odgovarajui nain.

12

Vrednosti otpornika R1 i R2 kao i kondenzatora C

izraunate su po sledeoj formuli:

Vrednosti dobijene na osnovu date formule za

izraunavanje frekvencije se u praksi ne poklapa sa

potrebnim vrednostima za dobijanje eljene

frekvencije, pa se preporuuje dodatno merenje

frekvencije osciloskopom kao i podeavanje

otpornosti potenciometrom.

Glavni deo prijemnika infracrvenog senzora je TSOP31238. TSOP31238 predstavlja

minijaturni prijemnik za infracrvene daljinski upravljane sisteme.

Pri reflektovanju infracrvenog zraka od

prepreke TSOP detektuje signal na frekvenciji od

38 kHz i na treem pinu daje naponski nivo

ekvivalentan nivou logike nule. Reflektovanje

infracrvenog zraka zavisi od prepreke od koje se

odbija pa samim tim i razdaljina mobilne

platforme. Na osnovu razliitih merenja dobili smo

rezultate koji pokazuju distance platforme u odnosu

na materijal prepreke na koje TSOP detektuje

odbijeni infracrveni signal (tabela 1).

Materijal Boja Razdaljina

Papir Bela 165mm

Zid Svetlo narandasta 180mm Koa Crna 0mm

Drvo Braon 180mm

Ogledalo - 165mm

Ljudska koa - 125mm

Metal Braon(tamna) 85mm Tabela 1 Merenja distance reagovanja senzora

Slika 12: ema povezivanja NE555 integrisanog kola

Slika 13: TSOP31238 pinout

13

Slika 14: PCB i priprema za tampu senzora

Slika 15: ema infracrvenog senzora

Koriene komponente:

NE555 integrisano kolo

TSOP 31238 infracrveno prijemno kolo

IC dioda

Potenciometar od 50k

Otpornici od 3.9k, 39 i 100

Kondenzatori kapacitivnosti od 1nF, 10nF i 4.7F

14

Zakljuak Mobilni roboti da sada nisu u tolikoj meri razvijeni da bi bili neto to se svakodnevno susree

ali brzina njihovog razvoja je nepredvidiva, treba se prisetiti da unazad dvadeset godina nije

svaki dom imao raunar a danas je to nezamislivo, isto tako pre deset godina mobilni telefon je

bio luksuz koji sebi nije mogao svako da priuti a danas je to sasvim normalna stvar. Reavanjem

problema beinog prenosa energije, razvojem novih senzora, razvijanjem brih

mikrokontrolera, poboljanjem interakcije robota i okoline sasvim je jasno da e u skoroj

budunosti svaki dom imati mobilne robote. Posebna panja se poklanja razvoju personalnih

mobilnih robota, koji su prvenstveno namenjeni za pomo starim osobama, takvi roboti su ve u

upotrebi. Poto su ve prekreni osnovni zakoni robotike sasvim je logino da e u budunosti

ratove voditi roboti.

15

Literatura TSOP datasheet http://www.vishay.com/docs/81745/tsop312.pdf

NE555 datasheet

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/NE_SA_SE555_C_2.pdf

L293NE datasheet

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/f/0xt5w1akzx8dd88ewqdxi35wa9py.pdf

IR proximity detector http://www.efymagonline.com/pdf/circuit-4.pdf

Arduino homepage http://arduino.cc/

http://wikipedia.org