OBSAH

Úvod a poďakovanie 1
Metodika práce 2
Vlastná práca 3
I. Záver : Programové vybavenie robota FTDGX 4-5
II. Záver: Konštrukcia a elektronika robota FTDGX 6
Zoznam použitej literatúry 7
Zoznam príloh 8
Citáty 9

Úvod

Automatizácia a robotika sú smery, ktoré dnes majú „zelenú“. Využívajú sa prakticky vo všetkých odvetviach, či je to automobilový priemysel, alebo aj humánna medicína.

Myšlienka skonštruovať robota vznikla, po tom čo som videl v dokumente využívanie robotov v automobilových firmách, najmä ako obsluhu ľudských zdrojov.
Cieľom bolo navrhnúť, vyrobiť a otestovať mobilného robota, ktorý je pre vyššiu rýchlosť ovládaný mikropočítačom ATMEL AVR 90S2313. Robot sleduje vyznačenú trasu, pomocou rozdielov v kontraste, eventuálne sa môže vyhnúť prekážke a tiež preruší svoju činnosť v prípade, že sa pred nim nachádza veľmi znížený profil.

POĎAKOVANIE:

Ing. Kováčovi za jeho čas a sprístupnenie školských sústruhov
Ing. Ďurinovi za odpovede na moje vyčerpávajúce otázky
D. Gustafíkovi za vytvorený program

METODIKA PRÁCE

Pri návrhu som po používal hlavne PC, kde som v programe autoCAD (http://autocad.com) kreslil jednotlivé komponenty, ktoré boli pripravene na náčrtoch- tu sa pracuje prevažne s mechanickou časťou.

-hlavná nosná doska z Cuprexidu
-DPS s riadiacou elektronikou
-DPS s detektorom priblíženia
-DPS so senzormi na snímanie kontrastu

Pre obmedzenia, ktoré tento program má som používal program orCAD(http://orcad.com) , pretože ma v sebe zahrnutú aj elektrotechnickú časť. V tejto časti som kreslil a testoval schematické zapojenie.

Veľa informácii som čerpal z môjho zošita z robotického krúžku(http://microstep-mis.sk).

-ovládacia elektronika
-riadenie motorov
-senzorika

Pri výrobe plošných spojov som postupoval podľa dvoch spôsobov:

1-ručné kreslenie lievikovým perom a následné leptanie v chloride železitom.
2-Fotocestou, kde som postupoval podľa postupu Ing. Jaroslava Snášela uverejnenom v časopise Amatérske Rádio v roku 2003 v piatom čísle (http://aradio.cz)

Súčiastky som vyberal podľa katalógu firmy GMelektronik (http://gme.cz/sk) , kde som podľa abecedného registra našiel konkrétnu súčiastku. Súčiastky, ktoré neobsahoval katalóg som našiel na internete vo formáte PDF.

Pri výrobe jednotlivých mechanických dielov som používal základne náradie. Diely, ktoré vyžadovali strojne obrábanie boli vyrobene na sústruhu a fréze(http://adlerka.sk). Tu som postupoval podľa pokynov Ing. Kováča.

S časťami, ktoré by som sám nezvládol mi pomohol Ing.Ďurina.
-zapojenie a ovládanie mikroprocesora.

Program, ktorý sa nachádza v pamäti mikropočítača napísal Dávid Gustafík podľa mojich pokynov.

VLASTNÁ PRÁCA

Programové vybavenie robota FTDGX

Robot FTDGX je riadený mikroprocesorom 90S2313 firmy ATMEL na taktovacej frekvencii 4MHz. Pôvodné riešenie využívalo mikroprocesor s klasickým jadrom 51. Mikroprocesor ATMEL AVR bol zvolený pre niekoľko výhod oproti klasickému 89C2051. Prvou z nich je dostupnosť programátora. Pre 89C2051 je nutný komplikovaný programátor obsahujúci mnoho integrovaných obvodov. V amatérskych podmienkach je veľmi ťažko vyrobiteľný a taktiež veľmi nákladný. Ako programátor pre AVR postačí upravený PonyProg. Tento programátor pozostáva zo štyroch odporov, ktoré slúžia ako ochrana paralelného portu počítača od zapojenia. Ovládací program k nemu je open-source PonyProg.

Druhou výhodou je jeho až 12-násobná rýchlosť oproti 51-ničkám pri rovnakej frekvencii. Je to dosiahnuté tým, že mikroprocesory AVR sú RISC. Zatiaľ, čo vykonanie jednej inštrukcie trvá x51 12 hodinových cyklov, mikroprocesorom s architektúrou ATMEL AVR to trvá jeden hodinový cyklus.

Dostupnosť programovacích prostriedkov pracujúcich vo vyššom programovacom jazyku, konkrétne C je taktiež jednou z príčin pre výber AVR. Jeho inštrukčná sada je optimalizovaná pre použitie vyšších programovacích jazykov.

Program bol napísaný AVREdit 3.5, skompilovaný avr-gcc, zdebugovaný AVRStudiom 3.5-4 a napálený do mikroprocesora programom PonyProg.

Prvotným cieľom robota bolo "chodiť" po trase. Trasa bola čierna čiara na bielom podklade. Snímanie čiary neriadi procesor, len prijíma signály o tom, že pod ktorým senzorom sa práve nachádza čiara. Ak sa čiara nachádza na jednom z bočných senzorov, program nastaví motory tak, aby otáčali robotom na tú stranu na ktorej je senzor. Otáčanie prebieha dovtedy, kým pod žiadnym zo senzorov nie je čiara.

Pri riešení robota, ktorý je optimalizovaný pre rýchlosť a nie presnosť, vyvstáva niekoľko zásadných problémov. Prvým z nich je občasné nestíhanie senzorov. Pri rýchlosti, akú dosahuje FTDGX nastávajú občasné chyby senzorov, hlavne tie, ktoré zisťujú, či je pod robotom čiara. Táto chyba nie je eliminovaná priamo, je eliminovaná tak, že ako náhle sa senzorika spamätá, začne do procesoru posielať správne signály a procesor nastaví robota do správneho smeru.

Druhý veľký problém nastáva pri otáčaní o presný stupeň 90° pri obchádzaní prekážky. Zatiaľ, čo u krokových motorov je ich otočka riadená presne počtom impulzov, ktoré do nich vyšleme u normálnych motorov je situácia iná. Tu treba presne časovať, kedy zapnúť a vypnúť daný motor.

Taktiež sú to problémy so zotrvačnosťou. Robot FTDGX má vysokú hmotnosť a rýchlosť a keď musí núdzovo zabrzdiť má s tým problémy. Program mu nariadi, aby okamžite išiel vzad, počkal určitú dobu a potom zastal.

Problém ešte nastáva keď sa do senzoru pre zisťovanie prekážky dostane infračervené modulované svetlo. Modulačná frekvencia musí byť 36kHz inak je to brané ako šum a odfiltrované.

V prípade, že sa takýto zdroj vyskytne, robot sa začne správať, ako keď je pred ním prekážka, tj. pokúša sa ju obísť. Mimo týchto problémov prebiehala výroba firmwaru pre FTDGX bezproblémovo, hlavný program bol napísaný za menej než päť hodín čistého času, ostatok času zabralo jeho debugovanie a vylaďovanie.

ZÁVER:

Konštrukcia a elektronika robota FTDGX


Cieľom bolo, aby robot riadil mikroprocesor s vnútornou štruktúrou AVR. Robot bol pôvodne navrhnutý na riadenie mikroprocesorom ATMEL 89C2051 s taktovacou frekvenciou 24Mhz, ktorý sa však dal programovať cez programátor, ku ktorému som mal prístup len raz za týždeň. Od spolužiaka (tvorca programu na tento robot) som sa dozvedel o procesore, ktorý sa dá programovať priamo z paralelného portu počítača a navyše jeho brány zodpovedali pôvodnému mikroprocesoru (ATMEL AVR 90S2313). Spočiatku celý robot s týmto procesorom nereagoval ale zistili sme, že má opačný RESET. Po dodatočnej zmene kryštálu a prepoľovaní resetovacieho pinu robot začal fungovať. Sledovanie čiary zvládal perfektne a žiaden problém nenastal. Senzory na snímanie čiary sa natavili raz a pracujú bezchybne. Šiesty senzor na zisťovanie, či sa pod ním niečo nachádza alebo nie pracoval tiež bezchybne, ale nahradil som ho mechanickým tlačitkovým spínačom s páčkou, pretože by som bol nerád, keby spadol zo stola kvôli nejakému odrazu, čo je pravdepodobnosť asi 1:1000. Ďalší senzor na snímanie prekážky nefungoval, pretože tento IR prijímač môže prijímať IR svetlo iba v dávkach. Po výmene tohto snímača za typ SFH5110 sa problém odstránil, pretože môže prijímať IR svetlo stále, ale reaguje aj na isté typy IR ovládačov od značkových výrobcov. Samozrejme sa to dá odstrániť použitím prijímača s inou frekvenciou. Výkonná časť (H-most, stabilizátor 5 V a 12 V) je umiestnená na chladiči z procesora PC. Spočiatku sa skoro vôbec nehrial, ale po dodatočnom pridaní 12 V stabilizátora sa jeho teplota priblížila asi k 50 °C. Na kolesách na zlepšenie styku so stolom sú dve gumičky, ktoré sa používajú na poháňanie súkolesia v magnetofónoch. Ak robot zašiel na iný drsnejší, alebo mäkší povrch vypadli a pretože boli hranaté, dlho trvalo ich nasadenie. Neskôr som ich vymenil za tesniace krúžky z guľatým prierezom, ktoré sa používajú na tesnenie ložísk. Otáčky jedného z motorov poklesli na polovicu. Po overení správnej elektrickej funkčnosti som zistil chybu v prevodoch motora. Pri rozobratí prevodovky, klzné uloženie hlavného výstupného hriadeľa prevodovky (spojenie kov – mosadz) bolo nedostatočne mazané a tým dochádzalo k oteru medzi materiálmi, ktorý spôsoboval veľké trenie. Po vyčistení a dodaní plastického maziva(vazeliny) sa otáčky motora ešte zvýšili.

Vzniknuté nedostatky sa ľahko odstraňujú, pretože celú mechanickú a elektrickú časť som zostrojil sám.

Citáty

Tri zákony robotiky:

Robot nesmie ublížiť človeku alebo svojou nečinnosťou dopustiť, aby bolo človeku ublížené.
Robot musí poslúchnuť príkaz človeka, s výnimkou prípadov, keď je taký príkaz v rozpore s prvým zákonom.
Robot musí chrániť sám seba pred zničením, s výnimkou prípadov, keď je to v rozpore s prvým a druhým zákonom.

Isaac Asimov: The Complete Robot, Nightfall Inc., 1982.