Strana 1
Bakalářská práce
Návrh a realizace jednoduché senzorické soustavy čtyřnohého robotu vypracoval: Jiří Voldán vedoucí práce: Ing.Stanislav Věchet, Ph.D. obor: Aplikovaná informatika a řízení 2006
Strana 2
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav automatizace a informatiky
Návrh a realizace jednoduché senzorické soustavy čtyřnohého robotu
(Bakalářská práce)
Bakalář: Jiří Voldán Vedoucí: Ing. Stanislav Věchet, Ph.D Brno, květen 2006
Strana 3
Zadání bakalářské práce
Strana 4
Strana 5
Anotace Tato bakalářská práce se zabývá návrhem jednoduché senzorické soustavy pro čtyřnohého robota. Tato senzorická soustava sestává z jednoduchých taktilních senzorů, určených pro dotyk a došlap. A také obsahuje podstatně kvalitnější, ale složitější ultrazvukový a infračervený senzor. Tyto senzory jsou navrženy a zhotoveny, jako jeden kompaktní blok, pro snímání okolí robotu v rozsahu 180°.
Annotation This bachelor thesis deals with quadruped robot sensoric system. The sensors used in this work are simple touch, infrared and ultrasonic sensor. The touch sensor is used for collision detection. The robot work in a real environment and informations about this environment is given by more sophisticated ultrasonic and infrared sensor. The map in 180 degree range is constructed from this informations.
Strana 6
Poděkování: Děkuji Ing. Stanislavu Věchetovi, Ph.D za metodické vedení a podmětné připomínky. Dále mu děkuji za ochotnou a trpělivou pomoc při realizaci ultrazvukového a infračerveného senzoru.
Strana 7
Obsah: Zadání bakalářské práce...........................................................................3 Anotace....................................................................................................... 5 1 Úvod............................................................................................................ 9 2 Kráčivý robot........................................................................................... 11 3 Senzory......................................................................................................15 3.1 Taktilní senzory....................................................................................15 3.2 Proximitní senzory............................................................................... 16 3.3 Inerciální senzory................................................................................. 17 4 Použité senzory.........................................................................................19 4.1 Došlapový senzor................................................................................. 19 4.2 Dotykový senzor...................................................................................20 4.3 Ultrazvukový senzor.............................................................................22 4.3.1 Vysílač............................................................................................ 22 4.3.2 Přijímač........................................................................................... 26 4.3.3 Obvod pro zpracování informací z ultrazvukového senzoru.......... 31 4.4 Infračervený senzor.............................................................................. 33 5 Závěr......................................................................................................... 37 6 Seznam použité literatury....................................................................... 39 Příloha........................................................................................................41
Strana 8
Strana 9
1 Úvod V rámci prací v laboratoři UAI byl vytvořen čtyřnohý robot Q8S, který je vhodný na experimenty a různé testy. Úkolem této bakalářské práce je navrhnou a zhotovit jednoduchou senzorickou soustavu pro tohoto robota. Bylo zapotřebí vybavit robota senzory pro zjištění přítomnosti překážek před robotem, jako jsou zdi nebo jiné větší překážky. Dále bylo potřeba zhotovit senzory, které by zajistily snímání kontaktu robotu s povrchem po kterém nepohybuje, tzn. zda-li je noha robotu v kontaktu s podložkou či nikoli a to z důvodu, kterým může být například zamezení pádu robotu ze schodů. Senzorů pro detekci je celé řada a kvalita těchto senzorů je rozhodující pro zajištění kvalitního snímání okolí celého robota. Proto je kladen velký důraz na počet a kvalitu těchto senzorů. Velmi důležitý je výběr senzoru, který bude použit pro danou činnost. Do výběru mnohdy zasahuje i cena a dostupnost senzorů na trhu. Proto po konzultaci byly vybrány tlačítkové mikrospínače jako senzory došlapu a mikrospínače s možností upevnění taktilní antény byly vybrány jako dotykové senzory, jak je popsáno v jednotlivých kapitolách. Tyto jednoduché senzory jsou dále doplněny kvalitnějšími a mnohem složitějšími senzory, které slouží k vytváření mapy okolí robotu na vzdálenost několika metrů. Jedná se o senzory infračervené a ultrazvukové, jak je popsáno dále v této práci.
Strana 10
Strana 11
2 Kráčivý robot Robot použitý během experimentů byl navržen jako kráčivý viz obrázek 2.5. Konstrukce je tvořena z jednoduchých hliníkových profilů upravených do požadovaného tvaru. Jako spojovací materiál jsou použity běžně dostupné šrouby M3. Pantografický mechanismus noh je vytvořen za pomocí modelářských kulových čepů. Každá ze čtyř noh má dva stupně volnosti viz. obrázek .2.1.
Obr.2.1 Pohyb zajišťují modelářské servomotory HS-322 firmy HITEC. Technické parametry servomotorů jsou shrnuty v tabulce 2.2.
Parametr
Hodnota
Rozměry
40x20x36mm
Hmotnost
45g
Rychlost pohybu
60˚ za 0.16s
Kroutící moment
3 kg/cm
Napájecí napětí
4.8 až 6V Tab.2.2 Parametry servomotorů HS-322
Strana 12
Jedná se o nejlevnější model na trhu, který byl vybrán právě pro svou nízkou cenu a také vzhledem k jednoduchosti konstrukce robotu. I přes omezení daná parametry servomotorů je robot schopen dynamické chůze rychlostí 0.1ms-1. Jednoduché schéma robotu je zobrazeno na obrázku 2.3.
Obr. 2.3 Robot může být řízen z PC, nebo malou mikroprocesorovou jednotkou, která zajišťuje autonomní chování. Základ elektroniky tvoří dva procesory. 1. ATMEL 2051: zprostředkovává komunikaci s PC po sériové lince RS-232. Dále je tímto procesorem ovládán pohyb jednotlivých servomotorů. 2. ATMEGA8: tento procesor zajišťuje plné autonomní chování robotu v případě, že není připojen na PC. V jeho FLASH paměti jsou nahrány základní instrukce pro pohyb v neznámém prostředí. Napájení robotu zajišťuje pětičlánek SANYO 7V/2000mAh, který je umístěn v těle robotu. Základní technické parametry kráčivého robotu jsou shrnuty v tabulce 2.4.
Strana 13
Parametr
Hodnota
Počet noh
4
Počet stupňů volnosti na jednu nohu
2˚V
Maximální rychlost pohybu
0.1m/s
Druh pohonu
Servomotor HS-322
Řídicí elektronika
ATMEGA8, ATMEL 2051
Zdroj el. energie
Baterie NiMH 7V/2000mAh
Taktilní senzory
došlapové 4ks
Proximitní senzory
IRDA, Ultrazvuk
Tab. 2.4
Obr. 2.5
Strana 14
Strana 15
3 Senzory Aby zařízení, v našem případě kráčející robot, bylo schopné reagovat na okolní prostředí, je nutné toto prostředí vnímat. Tak jako, živý organismus má hmat, čich, sluch či schopnost vidění, tak jsme schopni i roboty vybavit těmito vjemy. Nejčastěji je to mechanicko-elektrická součást robota, neboli senzor. Pomocí vhodného senzoru jsme schopni dodat robotu požadovaný vjem. Kvalita získaných informací a následné vyhodnocení je podmíněna použitým senzorem a způsobem vyhodnocení získané informace. Celkově nejvíce záleží na kvalitě provedení senzoru, což je ovlivněno cenou a dostupnou technologií výroby senzoru, záleží také na správném způsobu použití senzoru a v neposlední řadě také na použitém algoritmu pro vyhodnocení informací získaných měřením. Senzory můžeme rozdělit do tří základních skupin: Taktilní senzory Proximitní senzory Inerciální senzory
3.1 Taktilní senzory Tyto senzory jsou používány na mobilních robotech pro poskytování informací o kolizích s překážkami, jsou to tzv. dotekové senzory. Pro tyto senzory se často používá různých mechanických spínačů, ať už jsou to mikrospínače nebo různé jazýčkové spínače či tlačítka. Taktilních senzorů se využívá tam, kde může dojít ke kontaktu s překážkou či jiným objektem. Využívá se jich převážně u mechanických rukou, pro zjištění uchopení předmětu nebo u nohou, pro zjištění stabilního povrchu při došlapu nohy. Nejčastěji se používají tři druhy taktilních senzorů: •
Taktilní antény
•
Taktilní nárazníky
•
Pole snímačů
Strana 16
Taktilní antény jsou tvořeny pomocí různě dlouhého dotykového drátu, který je málo ohebný, aby byl schopen předat informaci o objektu před robotem. Taktilní anténa potom vypadá, jako tykadlo hmyzu. Po jemném vychýlení z původní pozice je sepnut kontakt. Taktilní nárazníky se nejčastěji používají u kolových robotů a to např. jako radlice. Pomocí takovéto radlice je robot schopen zjišťovat, zda li např. při tlačení objektu, se tento objekt nachází stále před radlicí, v těsném kontaktu či nikoli. Tato radlice je mechanicky spojena se spínačem, eventuálně mikrospínačem dle druhu užití, který je buďto stlačen nebo ne. Taktilní nárazníky mohou mít i více spínačů, pro přesnější určení objektu. Pole snímačů je určité množství spínačů, na určité ploše. Což je vhodné zejména pro přesnější vyhodnocení, kde se daný objekt nachází. Taktilní senzory jsou nejednoduší a zároveň nejlevnější senzory, což je jejich výhoda. Nevýhodou může být koroze kontaktů, deformování míst, kde dochází ke kontaktu s objektem, ale pro svou cenu a kvalitu materiálu, ze kterého jsou vyrobeny, jsou to zanedbatelné nevýhody.
3.2 Proximitní senzory Jsou to bezkontaktní zařízení, která poskytují varování o přítomnosti objektu bez nutnosti mechanické interakce objektu a senzoru. Proximitní senzory se dají rozdělit do několika základních skupin, z nichž nejčastěji používané jsou kapacitní, indukční, magnetické, mikrovlnné, optické, ultrazvukové. Každý ze jmenovaných typů senzorů má jinou oblast použití, která je daná rozlišením, dosahem, frekvenci snímání, prostředím, ale i cenou či schopností pracovat v náročných podmínkách. Optické a ultrazvukové senzory neboli dálkoměry mohou být rozděleny na dvě základní skupiny, a to na systémy s jednoduchou triangulací nebo na systémy komplexní s interní reprezentací prostoru či vnitřní mapou. Triangulační systém se může rozdělit na dvě metody, kdy u první metody je vysílač umístěn na robotu a přijímače jsou pevně upevněné v prostředí nebo je přijímač upevněn na robotu a vysílače slouží jako majáky. Je nutné aby byla dodržena přímá viditelnost mezi
Strana 17
přijímači a vysílači, to je mnohdy velká komplikace v různých řešení problémů, navzdory těmto obtížím je to metoda jednoduchá a levná. Systémy s interní reprezentací prostoru jsou dražší a sofistikovanější, ale nepotřebují modifikaci v prostředí. Tyto systémy můžeme rozdělit na tři základní skupiny. Systémy s vyhledáváním umělých značek (artificial landmarks), systémy s vyhledáváním přirozených vyznačených oblastí (natural landmarks) a systémy se skutečnou mapou prostředí. Optické a ultrazvukové senzory vzdálenosti mohou být rozděleny podle principu činnosti na: triangulační senzory, systémy měřící dobu letu signálu (time of flight), systémy s měřením fáze a radary s frekvenční modulací. Tyto senzory můžeme rozdělit podle jejich schopnosti měřit: bodové (lasery), kónické (ultrazvuk – zpravidla přibližně 60°), plošné čí prostorové (rozmítaný laser).
3.3 Inerciální senzory Jsou to zejména gyroskopy a akcelerometry pro měření rychlosti a pohybu a následně polohy, přičemž hlavní měřenou veličinou je zpravidla zrychlení. Princip spočívá v tom, že známe-li startovní pozici objektu a zaznamenáme-li změny zrychlení ve všech osách, jsme schopni vypočítat současnou rychlost a pozici. Problém nastává při integraci potřebného signálu spolu s ním je totiž integrována i chyba, která vzniká ze šumu. Inerciální senzory můžeme rozdělit podle způsobu snímání na: inerciální snímače otočení
- primárně snímající úhlovou rychlost - primárně snímající úhlovou polohu
mechanické gyroskopy
- snímající jeden stupeň volnosti (single-degree-of-freedom gyroscopes, SDFG) - snímající dva stupně volnosti (two axis, free gyros dvojosé, volné gyroskopy, 2DFG)
optické gyroskopy
- využívají Sagnacův efekt (rozdílná doba letu 2 paprsků světla v důsledku pohybujícího-se senzoru)
akcelerometry
- využívají setrvačnosti hmoty
Strana 18
Strana 19
4 Použité senzory V této bakalářské práci, byly použity taktilní i proximitní senzory. Protože při použití kombinací různých typů senzorů je získána kvalitnější informace o prostředí či dané překážce před robotem. Z taktilních senzorů byly použity došlapové a dotykové senzory. Z proximtních senzorů jsou vybrány ultrazvukový a infračervený senzor.
4.1 Došlapový senzor Došlapový senzor je vlastně jiný název pro dotykový senzor. Ale, jelikož se tento senzor umisťuje většinou na spodní části nohy robota, kde vyhodnocuje zda má robot nohu v kontaktu s podložkou, tak se mu říká došlapový. Pro získání informace, zda-li noha robota je položena či nikoli, je možno použít celou řadu senzoru. Je možno použít i proximitního senzoru jako jsou optické senzory, ze kterých to jsou např. fototranzistory, fotorezistory a jiné. Ovšem nastává problém s povrchem a to zejména s jeho barvou. Proto je zvolen jednoduchý taktilní senzor. Pro jeho úspěšnou aplikaci je nejprve nutné zvolit odpovídající místo uchycení tohoto senzoru, což definuje požadované vlastnosti senzoru jako je jeho velikost, váha, pevnost konstrukce a způsob provedení. Je zapotřebí určit zda bude celá váha nohy robotu spočívat na tomto senzoru či bude zhotoven mechanický převod, který odlehčí tento senzor od váhy nohy robota, díky tomu že senzor bude umístěn vedle místa došlapu. Hmotnost celého robota je okolo 700g a způsob chůze je dynamický, což znamená že jsou vždy dvě nohy ve vzduchu. Z toho vyplývá zatížení každé nohy přibližně 350ti gramy. Proto byl jako došlapový senzor zvolen mikrospínač viz. obrázek .4.1, který je umístěn na spodní části nohy robota viz. obrázek 4.3, takže robot tlačí svou vahou na tyto mikrospínače. Hmotnost robota je dostatečná pro stlačení kontaktu, ale není tak velká, aby ho deformovala. Tento mikrospínač je přiletován na miniaturní desku, ze které jsou pak vyvedeny dva vodiče do hlavní desky s řídícím mikroprocesorem, který vyhodnocuje zdali je mikrospínač sepnut, či nikoli.
Strana 20
Tento mikrospínač je chráněn pryží viz. obrázek 4.2, která plní dvě funkce. První je samotná ochrana před deformací mikrospínače a druhá funkce je, že napomáhá robotu při pohybu na hladkém povrchu, kdy mu jinak nohy prokluzovaly, což je zapříčiněno jednoduchou konstrukcí robota (čtyři nohy se dvěma stupni volnosti).
Obr. 4.1
Obr.4.2
Obr. 4.3
4.2 Dotykový senzor Dotykové senzory se v převážné většině umisťují na místech, kde očekáváme nejčastější kontakt s překážkou či objektem. Mohou to být přední a zadní části robotů, dále pak místa, která slouží pro tlačení objektu před sebou, či na mechanických rukách robotů, což jsou místa kde robot uchopuje objekt. Toto jsou specifikace, které ovlivňují vlastnosti dotykového senzoru, podobně jako u předchozího došlapového senzoru. Jelikož tento robot je schopen se pohybovat všemi směry v rovině, dle programu v mikroprocesoru, je pro zjednodušení volena chůze jedním směrem a otáčení se na místě. Z toho vyplívá, že je
Strana 21
potřeba senzory pokrýt plochu před přední částí robota. Pokrýt tuto plochu je možné několika způsoby, čímž je ovlivněna volba spínače. Jedna z možností je použít dva mikrospínače viz. obrázek 4.4 umístěné těsně vedle osy robota a to v přední části robota viz. obrázek 4.5.
Obr. 4.4
Obr. 4.5 Na těchto mikrospínačích jsou připevněny 25cm dlouhé dráty sloužící jako takzvané taktilní antény. Tyto dráty zvyšují taktilní dosah jinak malého mikrospínače, ovšem musí mít specifické vlastnosti. Musí být pevné, pružné a musí mít nízkou hmotnost, v opačném případě, při pohybu robota, bude docházet vlivem setrvačnosti drátu o větší hmotnosti ke spínání mikrospínače. Takto zvolené taktilní antény pokryjí velkou plochu před robotem, ale jen v rovině výšky těchto antén. Dále vzniká slepé místo přímo před robotem a to v jeho ose, tento prostor je sice kontrolován, ale až samotnými mikrospínači, což nemusí být vždy vhodné. Tyto nepříznivé vlastnosti vedly k volbě kvalitnějšího zařízení pomocí proximitních senzorů.
Strana 22
4.3 Ultrazvukový senzor Jeden z mnoha proximitních senzorů je i ultrazvukový senzor. Princip tohoto senzoru je jednoduchý. Jak patrno z názvu funguje v ultrazvukové frekvenci, což lidské ucho s rozsahem 20Hz až 20KHz není schopno zachytit. Senzor vysílá tento signál a přijímá ho odražený zpět, doba za kterou se vyslaný signál vrátí se vyhodnocuje. Tento ultrazvukový senzor pro snadnější popis rozdělíme na tři části: vysílač, přijímač a obvod pro vyhodnocení.
4.3.1
Vysílač
Aby bylo možno měřit, je potřeba nejdříve vyslat určitý signál. Tento signál má jisté specifikace, které jsou dány potřebným kmitočtem, vzdáleností, kterou chceme měřit, a je ovlivněn rychlostí šíření zvuku ve vzduchu. Vysílač je tvořen třemi obvody a to dvěma časovači pomocí IO 555 a zesilovačem z několika invertorů. První integrovaný obvod 555 (IC1) vysílá impulzy, to z toho důvodu, že kdyby vysílání bylo nepřetržité, nedal by se vyhodnocovat odražený signál. Proto je zvoleno pulzní vysílání. Délka pulzů je dána vzdáleností, kterou chceme pokrýt tímto senzorem. Abychom pokryly vzdálenost 10m je potřeba vyslat signál a čekat minimálně 60ms, to je dáno rychlostí zvuku, což je při teplotě 22˚C c = 345,24 ms-1 z čehož vyplívá, že 1m urazí za 0,0028965s, dále je podstatná vzdálenost kterou musí urazit. Tedy při měřené vzdálenosti 10m signál urazí tuto vzdálenost dvakrát, jednou při vyslání signálu, podruhé při jeho návratu. Dostáváme tedy vzdálenost 20m, a dobu letu signálu 0,05793s, což je oněch potřebných 60ms. Abychom dostaly tyto parametry, je potřeba vhodně dosadit hodnoty do vzorců 1.1 a 1.2 pro výpočet doby impulzu tohoto IO. Po dosazení hodnot do vzorce 1.1 získáme požadovanou délku signálu 1ms, a po dosazení do vzorce 1.2 získáme potřebných 64ms, kde RA a RB jsou rezistory a C kondensátor, jak je vidět na schéma obvodu obrázek 4.6 . Zvoleny byly tyto hodnoty rezistorů RA=9,1MΩ, RB=150KΩ a kapacita C=100nF
Strana 23
TL = 0,69 ⋅ RB ⋅ C
(1.1)
TH = 0.69 ⋅ ( RA + RB) ⋅ C
(1.2)
TL = 0,69 ⋅ 150 ⋅ 10 3 ⋅ 0,01 ⋅ 10 − 6 = 1 ⋅ 10 − 3 = 1ms TH = 0.69 ⋅ (9100 ⋅ 10 3 + 150 ⋅ 10 3 ) ⋅ 0,01 ⋅ 10 − 6 = 64 ⋅ 10 − 3 = 64ms
Obr. 4.6 Druhý integrovaný obvod 555 (IC2) vytváří požadovaný ultrazvukový signál. Postačí kmitočet kolem 40KHz, který je volen z důvodu snadné a levné dostupnosti vysokofrekvenčních reproduktorů. Tento kmitočet získáme stejně jak v předchozím případě, správným zvolením hodnot dosazených do vzorců 1.1 a 1.2, protože je tento obvod obdobný. Dosazením do těchto vzorců získáme dva pulzy o velikosti 10µs a 11µs, Pro dosažení této frekvence byly voleny tyto hodnoty rezistorů a kondensátoru RA=1,5KΩ, RB=15KΩ, C=1000pF tyto hodnoty dosadíme do vzorců 1.1 a 1.2, získáme časy impulsů, které dosadíme do vzorce 1.3 a získáme požadovaný kmitočet. TL = 0,69 ⋅ 15 ⋅ 10 3 ⋅ 1000 ⋅ 10 − 12 = 10,35 ⋅ 10 − 6 = 10µ s TH = 0,69 ⋅ (15 ⋅ 10 3 + 1,5 ⋅ 10 3 ) ⋅ 1000 ⋅ 10 − 12 = 11,39 ⋅ 10 − 6 = 11µ s
Strana 24
f =
1 (TL + TH )
f =
1 = 46 ⋅ 10 3 = 46 KHz −6 (10,36 + 11,39) ⋅ 10
(1.3)
Abychom zaručily pulzní vysílání je přiveden na pin 4 invertovaný signál z předchozího obvodu 555 IC1. Pak získáme vysílání ultrazvukového signálu o kmitočtu 46kHz po dobu 1ms a následnou odmlku 64ms pro příjem odraženého signálu. Schéma obvodu je na obr. 4.7.
. Obr. 4.7
Dalším obvodem ve vysílači je invertor (IC3), který zde slouží jako zesilovač. Doposud měl signál charakter obdélníkového pulsu v rozsahu 0-9V. Pomocí integrovaného obvodu 4069, což je invertor tvořen 6 hradly, můžeme tento signál otočit či fázově posunout. Na obrázku 4.8 je vidět jak je původní obdélníkový signál pomocí několika hradel převeden na obdélníkový puls o dvojnásobné amplitudě s rozsahem -9V až +9V čímž je zvětšena síla výstupního signálu a tím zlepšena možnost detekce.
Strana 25
Obr. 4.8
Signál je do prostoru vyzářen pomocí reproduktoru, který je schopen vyzářit vysokofrekvenční kmitočet. Tyto speciální reproduktory viz. obrázek 4.9 se nazývají ultrazvukové vložky. Parametry ultrazvukové vložky vysílače a přijímače jsou v tabulce 4.9a.
Obr. 4.9
Strana 26
Technické údaje
Vysílač
Přijímač
Frekvence
40KHz
40KHz
Síla vysílače/přijímače
119dB
-65dB
Šířka pásma vys./přij.
2KHz
2.5KHz
Kapacita
2400pF
2400pF
Pracovní teplota
-30 až +85°C Tab. 4.9a
-30 až +85°C
4.3.2
Přijímač
Pro příjem odraženého signálu je použito podobné ultrazvukové vložky, jako je tomu u vysílače, rozdíl je pouze u zisku a šířky pásma. Signál, který byl vyslán, prošel prostředím, odrazil se a vrátil se skrz stejné prostředí zpět, ztratil značně na své intenzitě. Abychom s ním mohli pracovat je třeba jej nejdříve 1000krát zesílit (60dB). Zesílení signálu provedeme pomocí operačního zesilovače (IC4), konkrétně zde je to dvojce operačních zesilovačů v jednom pouzdře s označením NJM4580. Tomto zapojení první z nich zesiluje 100 krát (40dB) a druhý zesiluje 10 krát (20dB). Obecně se v zesilovačích používá kladné a záporné napětí. V tomto obvodu je použito jednotné napětí +9V. Proto se přivádí kladné napětí na kladný vstup Schématicky je tento obvod znázorněn na obrázku 4.10.
Obr. 4.10
Strana 27
Obvod, který je znázorněn na obrázku 4.11, upravuje signál pomocí shottkyho diody, která má příznivou vysokofrekvenční charakteristiku, na horní půlvlnu. Kondensátor odfiltruje vysokofrekvenční složku.
Obr. 4.11
Další část přijímače je obvod, který můžeme nazvat signálový detektor. Tento obvod slouží k detekci ultrazvukového signálu, který se vrací od měřeného objektu, schématicky je znázorněn na obrázku 4.12. Je použit zesilovač který tady funguje jako komparátor. Operační zesilovač zesiluje rozdílový signál na vstupech. V případě použití operačního zesilovače bez záporné zpětné vazby s malým vstupním napětím, nastane to že se výstup přesytí. Takže, když přivedeme vyšší napětí na kladný vstup, jeho rozdíl se několiksetkrát zesílí, což je logická 1 (Vcc). Při přivedení vyššího napětí na záporný vstup se zesílení rovná logické 0. Referenční napětí Vrf, určuje jak velké napětí je potřeba pro log.1 a log.0 viz spodní část obrázku 4.12, velikost vypočítáme podle vzorce 1.4. Po dosazení hodnot za Ra=47KΩ, Rb=1MΩ, Vcc=9V do tohoto vzorce získáme hodnotu 0,4V.
Vrf =
( Rb ⋅ Vcc) ( Ra + Rb)
(47 ⋅ 10 3 ⋅ 9) Vrf = = 0,4V (1 ⋅ 10 6 + 47 ⋅ 10 3 )
(1.4)
Strana 28
Obr. 4.12 Pro měření ultrazvukem, je potřeba signál nejprve vyslat a pak ho odražený přijmout. To má za následek že na přijímači dostaneme dva signály, první je přímo vyslaný vysílacím senzorem do přijímacího senzoru a druhý je odražený od měřeného objektu. Aby detektor nevyhodnotil i první ze dvou signálů je potřeba v této době neměřit, toho docílíme pomocí diody, do které přichází signál z IC1 (555). Díky impulzu který je vyslán současně při vysílání ultrazvuku se zvedne napětí Vrf, a výstupní napětí je zesíleno na log 1. Teprve až druhý, správný odražený signál, je zpracován, protože v tomto okamžiku je na této diodě log.0.Princip je
znázorněn na obrázku 4.13.
Pozvolné vybíjení zajišťuje
kondenzátor (C). Správnou volbou hodnoty tohoto kondensátoru získáme požadovanou měřící vzdálenost, proto je kapacita tohoto kondensátoru velmi důležitá. Pro měření vzdálenosti od 40cm je hodnota 100nF. Kondensátor při této kapacitě se vybije za čas 1,75ms, to odpovídá vzdálenosti 80cm. Proto měření kratších vzdáleností než okolo 40cm se nedá použít a je doplněn o infračervený senzor, o kterém bude zmíněno dále.
Strana 29
Obr. 4.13 Posledním obvodem v části přijímače je RS klopný obvod. Je tvořen logickými hradly typu NAND, zapojení je na obrázku 4.14. Přivedením log. 1 na vstup (A na obr. 4.14 ) to je když ultrazvuk vysílá měřící pulz. Tato log. 1 je na výstupu (D) tak dlouho dokud není detekován odražený signál (C na obr. 4.14). Výsledný signál je vidět na obrázku 4.14 v časové ose písmena D. Tento časový usek log. 1, se mění v závislosti na době šíření vyslaného signálu, neboli v závislosti na měřené vzdálenosti.
Obr. 4.14
Strana 30
Celkové schéma ultrazvukového senzoru je na obrázku 4.15, který je podrobněji zobrazen v příloze 1, kde ve vrchní části je vysílač a ve spodní části přijímač. Všechny součástky i deska plošného spoje jsou v SMD provedení viz obrázek 4.16, z důvodu menších rozměrů a hmotnosti.
Obr. 4.15
Obr. 4.16
Strana 31
4.3.3
Obvod pro zpracování informací z ultrazvukového senzoru
Tento obvod s jádrem mikroprocesoru ATMEGA8, vyhodnocuje přicházející signál z ultrazvuku. Všechny součástky jsou v provedení SMD, a to i mikroprocesor, který je v pouzdře s 32 výstupy, na obrázku 4.17, který je podrobněji zobrazen v příloze 2 je schéma zapojení, dále na obrázku 4.18 je deska plošného spoje.
Obr. 4.17
Obr.4.18
Strana 32
V tomto obvodu je počítáno se zapojením termistoru, který by redukoval chybu způsobenou změnou teploty (závislost rychlosti šíření zvuku v prostředí na okolní teplotě). V případě, že by okolní teplota klesla, tak by mohlo dojít ke špatnému vyhodnocení vzdálenosti, vlivem zmíněné závislosti. Termistor je polovodičový snímač teploty, který mění svůj odpor v závislosti na teplotě. Rychlost zvuku je závislá na teplotě, jak ukazuje následující tabulka 4.19, závislost lze vyjádřit jednoduchým vzorcem 1.5 kde za t se dosadí teplota ve °C.
c = ( 331,82 + 0,61 ⋅ t ) ms − 1
teplota
(1.5)
Rychlost zvuku [ms-1]
Doba za, kterou urazí zvuk 1m [s]
0°
331,82
0,0030136
5°
334,87
0,0029862
10°
337,92
0,0029592
15°
340,97
0,0029328
20°
344,02
0,0029068
25°
347,07
0,0028812
30°
350,12
0,0028561
35°
353,17
0,0028314
40°
356,22
0,0028072
Tab. 4.19
Strana 33
4.4 Infračervený senzor Tento senzor doplňuje ultrazvukový senzor, protože jak bylo již zmíněno, ultrazvukový senzor není schopen vyhodnocovat vzdálenost menší než 40cm. Tento senzor tvoří čidlo GP2D120 viz obrázek 4.20 od firmy SHRAP, ze kterého se získávají informace o vzdálenosti. Čidlo vyhodnocuje vzdálenost od 10cm do 80cm. Senzor používá pro měření metodu triangulace, což je měření úhlu vyslaného a odraženého paprsku, jak je vidět na obrázku 4.21, z čehož vyplívá velmi malá závislost na barvě a osvětlení měřeného povrchu. Závislost napětí na měřené vzdálenosti je vidět v charakteristice na obrázku 4.22. Charakteristika na obrázku 4.23 zobrazuje závislost výstupního napětí vzhledem k okolní teplotě Dále jsou v tabulce 4.24 vybrané nejdůležitější hodnoty tohoto čidla. Čidlo je připojeno na část obvodu, která vyhodnocuje naměřenou vzdálenost z IR čidla, zajišťuje komunikaci
s ultrazvukem,
pomocí
10bitové
sběrnice
a
komunikaci
s řídícím
mikroprocesorem nebo PC pomocí sériové linky. Tento obvod je na obdobné desce plošného spoje, jako u ultrazvuku na zpracování informací z ultrazvukového senzoru
Obr. 4.20
Obr. 4.21
Strana 34
Obr. 4.22
Obr. 4.23
Strana 35
Parametr
Hodnota
Napájecí napětí
-0,3 až +7V
Výstupní napětí
-0,3 až +7,3V
Pracovní teplota
-10 až +60 °C
Rozsah vzdáleností
10 až 80cm Tab. 4.24
Ultrazvukový senzor a infračervený senzor, jsou kompletovány do jednoho bloku, jehož součástí je i servomotor viz nákres na obrázku 4.24. Tento celek provádí snímání prostředí v rozsahu 180°. Jelikož je toto zařízení umístěno do jednoho bloku a používá pouze tří vodičů a je snadno odnímatelný, stává se z něj prakticky snadno aplikovatelné přenosné zařízení, které lze použít na jiné roboty nebo stroje. Je vhodný i pro jiné aplikace, kdy je potřeba snímat okolní prostředí a vyhodnocovat vzdálenosti v tomto prostředí. Díky mikroprocesoru ATMEGA8 je možné libovolně přizpůsobovat data, která vycházejí z tohoto složeného senzoru a tím se zvyšuje jeho flexibilita.
Obr. 4.25
Strana 36
Strana 37
5 Závěr Cílem této bakalářské práce bylo navrhnout a vytvořit jednoduché dotykové a došlapové senzory, pro čtyrnohého robota Q8S. Oba dva typy těchto senzorů se podařilo zhotovit, jak dotykový tak došlapový a jsou popsány v kapitolách 4.1 a 4.2. Došlapový senzor je vytvořen pomocí mikrospínače. Během konstrukce tohoto senzoru byl problém s mechanickým namáháním mikrospínače. Tento problém se podařilo odstranit pomocí pryže, jak je popsáno v kapitole 4.1. Dotykový senzor je vytvořen pomocí mikrospínače s taktilní anténou, kde největší problém byla hmotnost a tuhost této antény. Při velké hmotnosti a malé tuhosti vznikaly během chůze robotu zákmity, které byly vyhodnocovány jako překážka. Tento problém byl odstraněn pomocí volby vhodného materiálu, více v kapitole 4.2. Po odstranění všech zmíněných problémů, pracují tyto senzory, vzhledem k jejich jednoduchosti bezproblémově a plní požadované funkce podle očekávání. Během prací probíhajících na výrobě senzorů pro robot Q8S, bylo rozhodnuto o rozšíření senzorické základny o ultrazvukový a infračervený senzor, které jsou popsány v kapitolách 4.3(ultrazvukový senzor) a 4.4(infračervený senzor). Tyto senzory jsou koncipovány do jednoho bloku a tím se stávají univerzálním senzorem, který je možné použít i v jiných aplikacích. U těchto senzorů byl největší problém jejich minimalizace, což způsobovalo zpočátku spousty problémů během návrhu plošných spojů, které bylo potřeba odstranit a to: buď opravou samotného plošného spoje prototypu nebo změnou navržení cest tohoto plošného spoje v jeho návrhu. Po odstranění problémů tento blok funguje dle očekávání. Tyto senzory doplňují senzorickou soustavu robota pro vnímání prostředí na větší vzdálenost než by byla u dotykového senzoru s detekci překážky v bezprostřední blízkosti. Do budoucna je možné pokračovat na dalších senzorech, jako jsou například senzory náklonu nebo zrychlení, to umožní například zpřesnění lokalizace, která by mohla být dalším vylepšením. V budoucnu je možné také zdokonalovat algoritmus softwaru nebo pomocí ultrazvukového senzoru by se mohla vytvářet i jednoduchá mapa vhodná pro vyhodnocování nejkratší cesty.
Strana 38
Strana 39
6 Seznam použité literatury [1] Věchet S., Krejsa J., Grepl R.: How to build a robot with no money, merkur, lego and old stepper motor, In Inženýrská mechanika 2005, Svratka, 9.-12. 5. 2005 [2] ŠOLC F., Žalud L.: Robotika, Brno: VUT, FEKT , 2002 •
Internetové stránky katedry robototechniky VŠB-TU Ostrava http://robot.vsb.cz/cojerobot/
•
Internetová adresa elektronických součástek vyrobce Sharp - Internet adress for Electronic Components Group Sharp http://sharp.co.jp/ecg/
•
Internetová adresa s obbvodem vysvětlujicí ultrazvukové měření - Circuit explanation of Ultrasonic Range Meter unit http://www.interq.or.jp/japan/se-inoue/
•
Internetová stránka věnovaná robotice http://www.robotika.cz/
Strana 40
Strana 41
Příloha 1: Schéma ultrazvukového senzoru
Strana 42
Příloha 2: Schéma obvodu pro zpracování informací z ultrazvukového senzoru
