Последнее обновление: 11 декабря 2004г.

Робот для соревнований по мини-сумо

1. Плата управления.

Можно использовать простую плату управления, в таком случае большинство функций по обработке информации будут выполнять датчики.

Можно собрать плату "все в одном", на которой будет сам процессор, схема управления двигателями, датчик обнаружения противника, стабилизатор напряжения питания и т.д.

То есть достаточно много будет зависеть от типа и возможностей датчиков, от того, насколько они загружают центральный процессор.

Большинство имеющихся плат управления (ПУ) рассчитаны на подключение различных датчиков. Они могут иметь как цифровые, так и аналоговые входы, выходы как правло цифровые. Исключением могут быть выходы, на которых может формироваться сигнал с ШИМ.

Для подключения датчика необходимы входы и в некоторых случаях выходы.

Идея: можно на одном из входов, который может работать в режиме прерывания, установить один элемент ИЛИ (2-3-4 или больше входов ИЛИ). И тогда мы подключаем сигнал с датчика на один из входов и также подаем тот же сигнал на вход ИЛИ. Точнее, если брать по умолчанию в качестве сигнала срабатывания низкий уровень, тогда понадобится элемент И (или стандартный И-НЕ). Тогда при срабатывании одного (или нескольких сразу) датчика на специальном входе, изменение сигнала на котором вызывает прерывание, процессор переходит на подпрограмму обработки прерывания, которая изменяет определенные регистры или ячейки памяти.

 

2. Сенсор края ринга.

Требования: отслеживать изменение цвета покрытия под роботом, и если какая-то часть его находится у края ринга, сигнализировать об этом центральному процессору.

Тут вопрос стоит так: можно использовать простой датчик, который стоит спереди слева и справа и будет выдавать ноль в том случае, если он находится над белой полосой (краем ринга). В остальное время датчик выдает единицу.

Ситуация. Робот может подъехать к краю ринга не прямо, а под углом (или противник может подтолкнуть его). В таком случае, если робот будет двигаться назад, он сам вылетит с ринга, а это проигрыш. Поэтому нужно учесть такие варианты и предусмотреть такое расположение сенсоров, чтобы робот не оказался в такой ситуации.

Варианты решения:

• простой сенсор на ИК-технологии. сенсор представляет собой узкую вытянутую плату, которая затем крепится в передней части робота как можно ниже к полу. Имеет два выхода, низкие сигналы на которых означают, что сенсор обнаружил край ринга. Распиновка: 1-земля, 2- питание, 3- левый сенсор, 4-правый сенсор.
• усложненный сенсор на ИК-технологии. сенсор представляет собой узкую вытянутую плату, которая крепится аналогично первому варианту, но имеет на два, а несколько пар ИК-сенсоров (4, 6, 8, 10). Имеет количесво выходов равное количеству оптопар, низкие сигналы на которых означают, что сенсор обнаружил перепад в освещенности. Распиновка: 1-земля, 2- питание, 3- самый левый сенсор, 4-следующий за ним если смотреть слева направо по направлению движения робота.
• вариант уложненного сенсора, но не требующего большого количества выводов центрального процессора. Использование микросхемы шифратора дает возможность сократить количество ножек и делать последовательны опрос датчиков пола.
• также можно усложнить датчик (с большим количеством оптопар) путем установки микроконтроллера, который будет самостоятельно сканировать пол и в случае обнаружения края передавать данные по шине I2C.

3. Сенсор обнаружения противника.

Требования: обнаружить расположение противника на ринге и передать информацию центральному процесосру.

Тут варинты могут быть такие: сложный и дорогой сенсор устанавливается на робот и находится в фиксированной позиции, такой же сенсор, но установленный на раме, которую вращает сервопривод, или же массив простейших сенсоров, которые располагаются по периметру робота на всех его сторонах или же только на фронтальной и боковых сторонах.

Хорошо, если есть качественный дорогой сенсор (работающий на принципах ИК-засветки или ультразвукового сканирования). Но проблема может быть в том, что робот- противник может маскироваться- он может иметь покрытие, которое не отражает ИК-лучи и ультразвуковые волны. В таком случае задача усложняется и может потребовать использование телекамеры.

Варианты решения:

• Ик-сенсор, предложенный на сайте roboclub.ru Полностью автономный сенсор, который можно подключать на линию прерываний или на шину I2C (после соответствующей доработки). Из недостатков он имеет только один ИК-светодиод, но эту проблему можно решить, разместив светодиоды последовательно. Немного доработав сенсор и используя микроконтроллер с большим числом выводов, можно подключать его к гнезду программатора и программировать центральный процессор по ИК- связи. Распиновка: 1-земля, 2- питание, 3- сигнал об обнаружении отражения ИК-сигнала (вариант с 2-я передатчиками- ответ от левого передатчика) (в случае I2C- линия синхронизации), 4-сигнал об обнаружении препятствия справа (в случае I2C- линия синхронизации).
• ИК-сенсор простейшей конструкции- передатчик собран на транзисторе и светодиоде, приемник- ИК-сборка типа TSOP (фирма Vishay). Низкий сигнал на выходе соответствует обнаружению препятствия (отражению ИК-сигнала). Может быть использованы 2 светодиода слева и справа, но управляемые одним транзистором. Может быть использовано 2 и более светодиодов, управляемые каждый своим транзистором и управляемые отдельным входным сигналом. Сенсор этого вида требует, чтобы центральный процессор самостоятельно формировал импульсы с требуемой частотой и количеством импульсов и длиной паузы. Зато сразу после отправки пачки импульсов процессор может проверить выход на TSOP- низкий уровень на несколько миллисекунд будет означать обнаружение препятствия.
• вариант предыдущего сенсора- один передатчик и несколько приемников (3, 4, 5 или другое количество). Также можно использовать несколько ИК-передатчиков, которые управляются одной линией (выходом центрального процессора).

4. Сенсор оборотов колес.

Датчик одометрии (вращения колеса).

Эти датчики могут быть разных типов:

• контактные;
• бесконтактные;
• ИК-датчики;
• простые, фиксирующие вращение колеса;
• сложные, фиксирующие направление вращения и скорость вращения;
• герконовые датчики, работающие на принципе магнит- геркон;
• сенсор одометрии на датчике Холла;
• датчики Хамамацу;

Рассмотрим герконовый датчик. Магнит устанавливается на колесе, геркон срабатывает во время перемещения магнита возле геркона. Геркон подключается к ножке микроконтроллера и к общему проводу («земле», минусу питания). Можно подключить ножку МК через подтягивающий резистор к плюсу питания, можно подключить подтягивающий резистор программным путем.

А теперь ИК-датчики. Есть готовые сборки – датчики типа «прорезь» или «П-образные». Есть готовые датчики на отражение. Цена, правда, сборки в 2-3 раза выше, чем просто пара ИК-светодиод + ИК-фототранзистор. Можно высверлить в любом подходящем материале два отверстия и вставить туда ИК- диод и транзистор. Но дело в том, что для того, чтобы «снимать» информацию, необходимо использовать либо компаратор, либо транзистор в ключевом режиме. Можно попытаться использовать встроенный компаратор микроконтроллера, но не всегда можно на это надеяться. Практичнее использовать компаратор LM339 либо подобный ему (существует множестно микросхем- компараторов, но они, как правило, счетверенные). Если использовать компаратор в корпусе SOIC, то он не займет много места и вы всегда можете настроить его на определенный тип ИК-пары простым поворотом потенциометра. Также важно иметь возможность настройки датчика под определенный тип отражающей поверхности.
Если датчик будет не простой, а показывающий направление вращение колес. Как происходит определение вращения? Достаточно просто- нужно всего-навсего зафиксировать, в каком порядке срабатывают датчики. Единственное условие- полосы либо разрезы должны располагаться с достаточными промежутками.

Достаточно большой проблемой есть расчет пройденного расстояния. Тут подходит как теоретический, расчетный путь, так и практический. Пройденное расстояние рассчитать просто, когда платформа движется прямо, но когда робот поворачивает- это может стать проблемой. Не будем учитывать влияние типа пола, ведь это практически невозможно. В реальном мире проще для определения позиции робота в пространстве пользоваться компасом или маяками, но это отдельный вопрос.

5. Плата управления двигателями.

Управление двигателями напрямую зависит от из типа. Сервомоторы и шаговые двигатели требуют специального алгоритма для управления ими, коллекторные из-за большого количества посторонних шумов и наводок также требуют особого отношения. В результате оказывается, что для каждого типа двигателей необходима своя или специфическая плата управления. Другими словами переход плата-двигатель можно делать разъемным, если в будущем будет использоваться в другом проекте, в остальных случая можно сэкономить на разъемах.

Для регулирования скорости оборотов колес можно использовать программную ШИМ, аппаратную ШИМ, можно масштабировать редуктор.

Варианты реализации:

• управление коллекторными двигателями при помощи специализированного драйвера (например- L293D). В таком случае на вход микросхемы подаются управляющие сигналы. Для работы двигателя в одном направлении требуется, чтобы на входы подавали сигналы (TTL) 1 и 0. Для движения в обратную сторону- 0 и 1. Если подавать 1 и 1 или же 0 и 0, то двигатель не работает. Питание двигателей осуществляется от одного источника питания с электроникой. Такая простая схема требует минимум затрат. Достаточно подпаять параллельно двигателям и микросхемам гасящие конденсаторы и все будет работать нормально. (схема проверена- см. проект "Бывшая жаба" и "мини-сумо"). микросхема-драйвер предоставляет массу необходимых функций: защита от переполюсовки, защита от перегрузки, раздельное питание электроники и двигателей, отдельный вход для подключения ШИМ. Минусом является их небольшая нагрузочная способность- 0.5, 1, 2 ампера. Пиковые нагрузки могут быть больше.
• если коллекторные двигатели сильно "шумят", можно использовать двойное питание- как в предыдущем варианте, только питание электроники использовать как питание электроники микросхемы - драйвера, а для питания двигателей использовать другую батарею. Можно регулировать скорость вращения двигателей путем программной ШИМ. (схема проверена- см. проект "Платформа на базе Мерседеса").
• одним из вариантов подключения двигателей является использование реле. В отличие от транзисторов, они рассчитаны на большие токи, частота переключения не может быть слишком большой. Мощность, необходимая для удержания контактов, не очень большая. В проверенном случае для движения вперед необходимо было удерживать 1 реле.
• есть схемы, еще не проверенные, которые состоят из транзисторов, в том числе есть такие, где для включения двигателей использовались полевые транзисторы. Это достаточно экономный вариант, который также предоставляет возможность варьировать мощность в достаточно больших пределах, подбирая транзисторы и устанавливая необходимые режимы работы.

6. Кнопка "Старт".

Для участия в соревнованиях робот должен уметь одну вещь- выдержать необходимую паузу после сигнала о начале схватки. Раньше двинуться никак нельзя- раунд не будет защитан. Это называется фальшстарт. Поэтому участник должен установить робота на ринге и по сигналу судьи нажать кнопку старта.

7. Датчик заряда батарей.

8. Блок индикации.

Этот блок нужен скорее для отладки и при программировании, но может понадобиться во время соревнований. Потому что в динамике боя не всегда понятно, какое действие сейчас производит робот и что стало этому причиной, на что он среагировал.

Варианты реализации:

• LCD дисплей. Он требует около 10 ножек ввода-вывода контроллера, поэтому может быть использован (если это не специализированная плата вроде Handyboard) для контроля за роботом, изменения конфигурации и параметров. Достаточно информативный метод индикации, но также требует достаточно много места в памяти программ.
• блок индикации, который вставляется в разъем программатора, который в бою не нужен. Это неплохой вариант, потому что можно использовать целых 3 ножки контроллера, а если задействовать в схеме шифратор- то количество светодиодов (или других индикаторов) можно довести до 8. Ведь иногда проще использовать звуковой сигнал, потому что робот движется быстро и прочитать информацию не всегда удобно. Программным способом можно реализовать индикацию на светодиодной матрице, где можно показывать как цифры, так и некоторые буквы (А, Н, С, Г, Е, P, F, o, d, b). В общем, можно даже показать шестнадцатиричное число, и не один, а несколько байт, если использовать показ одной цифры 1-2 секунды.