Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2013

Transkript

1 Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2013 PRŮZKUMNÝ ROBOT Bc. Martin MACHÁČEK 17. listopadu 15/2172, Ostrava Poruba 25. dubna 2013 FAI UTB ve Zlíně

2 Klíčová slova: Arduino, senzory, řízeni, podvozek průzkum Anotace: Cílem práce je osadit stávající šesti kolový podvozek senzorickým a řídícím subsystémem. Průzkumný robot by měl zvládnout nasazení v soutěži RoboOrienteering, kde je cílem autonomně projet stanovenou trasu s kontrolními body v co nejkratším čase. Při výběru senzoru a řídícího mikrokontroléru byl kladen důraz na co nejnižší cenu. Senzory jsou navrženy tak, aby byly schopny detekovat překážku a vzdálenost od překážky. Řídící subsystém na základě senzoru vyhodnotí jakým směrem se pohybovat k dosažení cílové polohy. 2

3 Obsah 1. Zadání Podvozek informace, parametry Zvolený řídicí systém Arduino platforma Arduino kolon Seeeduino Vybrané komponenty Silový můstek Qik 2s12v Ultrazvukový sonar SRF Akcelerometr ACC GPS modul - 66-Channel LS20031 GPS Receiver Module Bezdrátová komunikace Arduino Xbee Shiels XBee PRO 868 MHz Schéma zapojení Umístění senzorů Umístění ultrazvukových sonarů Umístění kompasu vůči magnetickému poli motorů Finální zpracování Závěr Literatura

4 1. Zadání Na stávající mobilní robotickou platformu navrhněte a realizujte vhodný řídicí a senzorický subsystém. Zohledněte též požadavek na nasazení robotu do soutěží typu Roboorienteering a podobných. Robot vybavte základním reakčním chováním a prezentujte jej. Vyhotovte podrobnou technickou dokumentaci. 2. Podvozek informace, parametry Obr.1: Dagu Wild Thumper 6WD All-Terrain Chassis, Black, 75:1 Podvozek od Dagu Electronics je navržen pro pohyb přes terén a velké stoupání. Tyto vlastnosti dělají tento podvozek ideální platformu podvozku pro servisní roboty pohybující se ve venkovním prostředí. Skládá se z šesti výkonných DC motorů s mosaznými kartáči a s ocelovou převodovkou 34:1 nebo 75:1, které přenáší krouticí moment na terénní kola o průměru 120 mm. O stálý kontakt mezi koly a zemí se stará unikátní pružinový mechanismus. Tento mechanismus zajišťuje maximální trakci v nerovném terénu. Mechanismus může být seřízen na základné požadovaného zatížení podvozku. Rám podvozku je vyroben z ohýbaného hliníkového platu o tloušťce 2 mm a ze spojovacího materiálu z nerezové oceli. Výrobce udává napájení 7,2 V u verze s převodovkou 34:1 maximální rychlost 7 km/h, kroutící moment na motor 0,5 Nm a u verze s převodovkou 75:1 maximální rychlost 3 km/h a kroutící moment na motor 1Nm. Rám podvozku má navržené úložné místo pro baterie, případně pro řídicí systém. V konstrukčních dílech jsou umístěny díry ø 4 mm s roztečí 10 mm pro uchycení. Výrobce udává maximální zatížení podvozku 5kg. Tento podvozek má diferenční řízení pohonu takže otáčení je řešeno rozdílem rychlostí motorů na pravé a levé straně. Tři motory na každé straně jsou zapojeny paralelně. Pro řízení podvozku je tak potřeba pouze dvou kanálový motorový můstek. Motory mají rozsah napájení od 2 do 7,5 V a každý motor má maximální stály proud 6,6 A při zátěži a 420 ma na prázdno. 4

5 Parametry podvozku: Rozměry: mm Hmotnost: 2.7 kg Světlá výška: 60 mm (při velké zátěži) Maximální doporučené zatížení: 5 kg Doporučené napájení motorů: V Jmenovitý proud při 7.2 V: 6.6 A na motor Proud na prázdno 7.2 V: 420 ma na motor Otáčky motoru bez zátěže při 7.2 V: o 350 ot/min pro verzi s převodovkou 34:1 o 160 ot/min pro verzi s převodovkou 75:1 Krouticí moment při 7.2 V: o 0,5 Nm na motor pro verzi s převodovkou 34:1 o 1 Nm na motor pro verzi s převodovkou 75:1 3. Zvolený řídicí systém 3.1 Arduino platforma Obr.2: Arduino Uno Arduino je open-source elektronická prototypová platforma založená na flexibilní, snadno ovladatelném hardwaru a softwaru. Arduino muže provádět řízení na základě informací ze senzoru, datové komunikace nebo na základě uložených dat. Mikroprocesor na desce je naprogramován pomocí Arduino programovací jazyk (na základě zapojení) a vývojové prostředí Arduino (vychází z prostředí Wiring). Arduino projekty mohou být samostatně nebo mohou komunikovat se softwarem běžícím na počítači (např. Flash, Processing, MaxMSP). Desky arduino obsahují 8-bitové mikrokontrolery z rodiny AVR od firmy Atmel a množství dalších podpůrných obvodů. Oficiální vydání Arduina, které vyrábí a prodává Italská firma Smart Projects, používají čipy ATMega8, ATMega168, ATMega328, ATMega1280 a ATMega2560. Každá deska má většinu I/O pinů přístupných přes precizní patice, do kterých se jednoduše připojují další obvody, kterým ve světě Arduina říká Shieldy. 5

6 3.2 Arduino kolon Seeeduino Obr.3: Seeeduini Mega 1280 Seeeduino Mega je odvozené od Arduina Mega se snahou o zmenšení rozměrů, větší flexibilitu a funkčnost. Parametry Seeeduino Mega 1280: ATmega 16MHz Volitelný 5V/3.3V provoz 70 Digitální IO 16 Analogové vstupy 14 PWM výstupy 4 Hardware sériové porty (UART) Kompatibilní s většinou Arduino Duemilanove a Diecimila Shieldů 30% menší než Arduino Mega USB mini - Snadné programu, není nutný dodatečný hardware pro načtení firmware - stačí zapojit do USB portu ICSP konektor Může být napájen pomocí baterií nebo prostřednictvím adapteru AC/ DC 4. Vybrané komponenty 4.1 Silový můstek Qik 2s12v10 Obr.4: Qik 2s12v10 Tento výkonný motorový regulátor umožňuje variabilní řízení rychlosti a směru dvou velkých, kartáčových stejnosměrných motorů pomocí jednoduchého sériového rozhraní a 6

7 nabízí několik pokročilých funkcí, jako je kontrola zrychlení motorů a nastavitelné omezení proudu. Automatická detekce přenosové rychlosti až 115,2 kbps a vstupy jak pro RS-232 a TTL seriál usnadňuje připojení motorů do mikrokontroléru nebo počítačového projektu. Provozní rozsah napětí je 6 až 16V, trvalý proud na kanál je až 13 A (30 A špička) Specifikace: Motorové kanály: 2 Napájení: 6 16 V Trvalý proud na kanál: 13 A Špička proudu na kanál: 30 A Auto-detekce rychlosti: ,200 bps Dostupné pevné rychlosti: 115,200 bps, 38,400 bps, 9600 bps Dostupné PWM frekvence: 19.7 khz, 9.8 khz, 2.5 khz, 1.2 khz, 310 Hz, 150 Hz Ochrana před zpětným napětím?: Ano Motor driver: VNH2SP30 x2 4.2 Ultrazvukový sonar SRF08 Tab.1: Parametry Qik 2s12v10 Obr.5: SRF08 Sonary jsou senzory určené k měření vzdálenosti k překážce, popř. k detekci překážky. Ultrazvukové sonary (dále jen sonary) jsou založeny na měření doby mezi vysláním akustického impulsu a okamžikem přijetí odraženého signálu od překážky echa. Je-li vyhodnocována pouze přítomnost překážky a uživatele nezajímá vzdálenost k ní, je vyhodnocováno pouze přijetí a nepřijetí echa. Sonar SRF08 byl představen v roce Výrazně předčí svého předchůdce, SRF04, především v těchto parametrech: maximální měřená vzdálenost, spotřeba, rozsah, nastavení zesílení přijatého signálu, krátká prodleva mezi jednotlivými měřeními, schopnost vyhodnotit vícenásobné odrazy, služby zabudovaného firmwaru a komunikace prostřednictvím sběrnice I2C. Sonar přímo poskytuje veškeré požadované informace tedy vzdálenost k překážce (překážkám) již v konečné číselné podobě. 7

8 4.3 Akcelerometr ACC7260 Obr.6: ACC7260 Akcelerometr měří působící zrychlení, které může být původu gravitačního nebo způsobené nerovnoměrným pohybem. Z poměru gravitačního zrychlení ve dvou osách lze zjistit náklon robota, integrací všech tří os lze získat vektor okamžité rychlosti a další integrací polohu. Další zajímavou aplikací je netradiční ovládání robota náklonem ovladače. Použitý senzor MMA7260 je připájený na malém modulu spolu s filtračními RC články a stabilizátorem napětí. Umožňuje použít tuto SMD součástku bez nutnosti osazovat integrované obvody v pouzdru QFN s vývody na spodní straně. Měří zrychlení ve třech osách Rozsah ±1,5g.. ±6g Napájení 3.6V.. 16V, 600uA Citlivost 800mV/g.. 200mV/g Rozměry modulu 23x28mm, DIL GPS modul - 66-Channel LS20031 GPS Receiver Module LS20031 je GPS modul od Locosys který přímá GPS data na 66 kanálech a výstup dat má ve více jak 6 různých National Marine Electronics Association (NMEA) GPS sentences do TTLlevel seriál port na frekvenci do 10 Hz. Od doby kdy má GPS modul integrovanou keramickou anténu, nepotřebujete kupovat externí anténu nebo se bát mnoha různých konektorů antén. Modul obvyklé zaměří polohu při studeném startu do 35 sekund a při poslední uložené informaci ze satelitů, který naposled přijal může byt určena poloha do 2 sekund. Features: Obr.7: LS20031 GPS Receiver Module 35 second cold start, less than 2 second hot start Supports 66-channel GPS Up to 10Hz update rate 3 to 4.2 V operating range 8

9 Built-in rechargeable battery to preserve system data for rapid satellite acquisition Red LED indicator for GPS fix or no fix MediaTek MT3329 receiver chipset Capable of SBAS (WAAS, EGNOS, MSAS) Supports assisted GPS (AGPS) 4.5 Bezdrátová komunikace Arduino Xbee Shiels Toto je unikátní štít pro Arduino platformu. Tato deska připojuje XBee modul přímo na sériovou komunikaci místo USB kabelu, tak že můžeme komunikovat s Arduinem přímo přes upravený ZigBee protokol. Deska může být osazena šířkou škálou bezdrátových modulu XBee XBee PRO 868 MHz Obr.8: Arduino Xbee Shield XBee-PRO 868 jsou rádiové moduly s dlouhým dosahem poskytující koncový přenos dat. Modul je určen pro provoz v Evropě. Podporuje radiový přenos na přímou viditelnou vzdálenost 40 km. Tyto moduly jsou ideální pro překonání přenosu na velkou vzdálenost. Obr. 9:Xbee PRO 868 Mhz 9

10 5. Schéma zapojení Navržené zapojení využívá 3 sériové porty ze 4 dostupných, tři analogové vstupy, sběrnici I2C a pět digitálních I/O pro kontrolu a nastavení přesnosti. Sériová komunikace probíhá mezi silovým můstkem, GPS modulem a bezdrátovou komunikací. Digitální I/O jsou využity na kontrolu fungování silového můstku a případnou zpětnou vazbu pro mikrokontrolér. Analogové stupy slouží pro čtení akcelerometru ve třech osách, kterému můžeme pomocí tří digitálních výstupu měnit rozlišení měření. Obr. 10: Schéma zapojení 10

11 6. Umístění senzorů 6.1 Umístění ultrazvukových sonarů Obr. 11: Zkušební rozmístění sonarů Ve zkušebním umístění byly umístěny tři senzory dopředu na otočný čep pomocí, kterého se dá nastavit úhel mezi sousedícími sonary. Na tomto rozmístění bylo provedeno měření nedetekovatelného prostoru a detekce předmětu před robotem. Z měření provedených na tomto rozmístění byla zhotovena finální varianta umístění. Obr. 12: Finální varianta umístění ultrazvukových sonarů 11

12 6.2 Umístění kompasu vůči magnetickému poli motorů Obr. 13: Zkušební varianta umístění kompasu Určení minimální výšky umístění kompasu bylo řešeno zkušebním měřením. Minimální výška umístění kompasu byla určena snahou o co nejmenší rozměry robotu. Umisťování kompasu bylo řešeno postupným vzdalováním kompasu od základny podvozku. Toto vzdalování probíhalo ve stupních po 10 mm. K měření byl k dispozici střelkový kompas, který byl dostatečně vzdálen od robotu, aby ukazoval nezkreslenou hodnotu. Postupným otáčením byly zjištěny odchylky kompasu CMPS03. Při návratu do výchozí polohy byl kompas vzdálen o další krok. Dokud nebylo nalezeno měření s upokojivě malou odchylkou. Následovala zkouška ovlivnění kompasu při pohybu motorů. Tato zkouška ukázala, že určená vzdálenost je dostačující a kompas nebyl motory v chodu ovlivněn. Obr. 14: Finální umístění kompasu 12

13 7. Finální zpracování Obr. 15: 3D model rozmístění Pro finální rozmístění jednotlivých komponentů jsem zhotovil 3D model v CAD systému Creo. Dostupné modely byly staženy z knihoven výrobců. Ostatní byly vymodelovány pomocí výkresů od výrobců. V 3D modelu je přehledně vidět dostatek místa pro kabely a elektroniku. 3D model posloužil také k navržení krytů řídicího systému, vhodné umístění senzorů a kamer. 8. Závěr Úkolem práce bylo navrhnout vhodný řídící a senzorický subsystém, navrhnout rozmístění řídícího a senzorického subsystému a vybavit robot reakčním chováním. Navržený řídicí systém komunikuje se senzory bez problému. Rozmístění ultrazvukových senzorů bylo ověřeno na zkušební verzi rozmístění, kde bylo snahou nalézt nedetekovatelnou oblast. Z následných poznatků bylo upraveno rozmístění ultrazvukových sonarů. Následovalo určení umístění kompasu, aby nebyl ovlivňován magnetickým polem motorů. Minimální vzdálenost byla určena několika měřeními rozdílu použitého kompasu a střelkovým kompasem vzdáleným od robotu. Rekční chování robotu je ve vývoji. 13

14 Literatura [1] Novák, P.: Mobilní roboty pohony, senzory, řízení. Nakladatelství BEN technická literatura, Praha, [2] JONES, Joseph L., SEIGER, Bruce A., FLYNN, Anita M..: Mobile Robots: Inspiration to Implementation, 1998 [3] 14