УДК 004.71;621.39;621.865.8-5

ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПО РОБОТОТЕХНИКЕ

С. Л. Герасюто

Заведующий сектором распределенных программных технологий лаборатории робототехнических систем, бакалавр технических наук

Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси

contacts@robotics.by

Е. И. Печковский

Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси

Г. А. Прокопович

Заведующий лабораторией робототехнических систем, кандидат технических наук, доцент

Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси

rprakapovich@robotics.by

В. А. Сычев

Научный сотрудник лаборатории робототехнических систем

Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси

vsychyov@robotics.by

Аннотация

В работе рассмотрены особенности программно-аппаратного обеспечения методического комплекса по робототехнике. Описана работа действующих прототипов плат систем управления мобильными роботами.

Abstract

The paper discusses the features of the firmware methodical complex robotics. The functioning of the existing prototype board control systems of mobile robots.

Ключевые слова

Система управления мобильными роботами, бесконтактная зарядка, интеллектуальный менеджер питания, Xbee-PRO сеть.

Введение

Стремительное развитие вычислительной техники, миниатюризация цифровых и силовых микросхем дает возможность создавать роботов с развитой системой управления без увеличения его стоимости. В свою очередь использование робототехники в непромышленных сферах человеческой деятельности послужило толчком для развития новых отраслей информационных технологий, к числу которых можно отнести распознавание речи и зрительных сцен, управление робототехническими устройствами через Интернет, а также удаленное хранение баз, данных и баз знаний для систем управления роботами. Этим объясняется возросший в последнее время интерес среди научных учреждений и передовых инженерно-технических ВУЗов по всему миру к дисциплинам данного профиля. Развитие таких непромышленных направлений в робототехнике как экстремальные, сервисные и домашние роботы требуют не только новых подходов к их проектированию и управлению, но и создания современной научно-образовательной базы $[1]$

Национальная Академия Наук Беларуси являясь главным источником инноваций считает, что на текущий момент стоит острая нехватка учебно-дидактического материала, действующих макетов и прототипов малогабаритных мобильных роботов $($МР$)$. Эту потребность необходимо срочно восполнить в профильных ВУЗах и ССУЗах и школах. Для этого необходимо проанализировать лучшие международные изделия, сенсоры, системы связи и управления и выбрать техническое решение с опором на возможности производства действующей промышленности Республики Беларусь.

Целью данной работы является описание программного-аппаратного комплекса по технологиям робототехники с упором на технические решения. Описание нюансов и проблем функционирования МР.

1. Учебно-методический комплекс по технологиям робототехники

Учебно-методический комплекс $($УМК$)$ предназначен для использования преподавателями учебных заведений технического профиля в качестве методического и практического пособия по основам робототехники. УМК позволяет быстро и качественно производить подготовку к занятиям в научной, методической и технической частях по различным техническим дисциплинам, а также для демонстрации технологий мобильной робототехники.

    Программно-аппаратное обеспечение УМК разрабатывается для:
  1. обеспечения качественного и современного процесса обучения учащихся ВУЗов, ССУЗов и школ технического профиля основам и технологиям автоматизации и робототехники;
  2. интеграции учащегося и учителя в международный процесс технического образования путём использования открытого программного обеспечения, а также передовых интернет-технологий;
  3. охвата трёх основных технических дисциплин: механики, электроники и информатики $($программирование от уровня микроконтроллеров до персональных компьютеров и серверов$)$;
  4. создания индивидуальных программно-аппаратных комплектов по требованию заказчика.

Преимущества разрабатываемого УМК состоят в открытой системе управления как отдельными роботами, так и группами мобильных роботов, направленных на выполнение общих целей, обучению новейшим технологиям робототехники на реальных примерах, повышению эффективности преподавания технических дисциплин в Республике Беларусь.

2. Плата системы управления роботами нижнего уровня

Современные системы управления мобильными роботами являются многоуровневыми. Это продиктовано потребностью и концентрацией разработчиков на задачи, стоящие перед мобильными роботами. Минимальной конфигурацией для мобильных роботов считается одноуровневая система управления, где совмещается управление двигателями, обработка сенсорной информации датчиков, принятие решений по предназначению и связь с центром управления по беспроводному каналу. Рассмотрим детально электронную конфигурацию, принципы работы на примере работающий платы системы управления нижнего уровня формата PC/104 для встраиваемых систем и роботов Рисунок 1

Рендер платы управления нижнего уровня формата PC/104 для встраиваемых систем и роботов

Рисунок 1 – Рендер платы управления нижнего уровня формата PC/104 для встраиваемых систем и роботов

Мобильный колесный робот с установленной платой системы управления

Рисунок 2 – Мобильный колесный робот с установленной платой системы управления

Блок схема устройства управления

Рисунок 3 – Блок схема устройства управления

Рассмотрим, как работает установленная на робот плата – Рисунок 2. Для упрощения понимания ключевые блоки платы и их взаимодействие сведено в виде блок-схемы Рисунок 3. До начала работы все блоки предварительно установлены в нулевое состояние. В блок микроконтроллера 1 записывается управляющая программа. После включения блока источника электропитания 6 устройство приводится в активное состояние. С блока микроконтроллера поступают управляющие сигналы на блоки электропривода 2, беспроводного интерфейса 3, управления питанием 7, цифровой и аналоговый интерфейсы ввода-вывода 8 и 9 соответственно.

Блок микроконтроллера 1 предназначен для хранение управляющей программы, а также для формирования управляющих сигналов. Программа работы устройства состоит из набора подпрограмм, причем последовательность перехода из одной в другую задается с помощью кода условия перехода.

Блок электропривода 2, предназначен для управления двумя ДПТ по средствам управляющих сигналов с блока 1. Блок 2 обеспечивает схему защитой от обратных токов. Этот блок регулирует скорость вращения ДПТ под нагрузкой.

Блок беспроводного интерфейса 3, предназначен для беспроводной связи устройства с ЭВМ центра управления или другими роботами, а также для управления устройством. Имеет возможность записи управляющей программы в блок 1.

Блок стабилизатора питания беспроводного интерфейса 4, предназначен для стабилизации напряжения до 3,3 В.

Блок стабилизатора питания 5, предназначен для стабилизации напряжения питания всей платы. Имеет систему помехозащищенности.

Блок 6 представляет собой источник электропитания, в виде литий-ионных аккумуляторов.

Блок системы управления питания 7, предназначен распределения питания устройства. Для экономии энергии заряда источника питания, имеет возможность переводить спящий режим отдельные неиспользуемые блоки устройства.

Блок 8 и 9 цифровой и аналоговый интерфейсы блока ввода-вывода соответственно.

3. Обоснование и описание электронных компонентов платы системы управления

Проанализировав потребности в вычислениях для нижнего уровня управления мы посчитали достаточным установить микроконтроллер Atmega 32 компании Atmel.

Микроконтроллер в 44-выводном корпусе типа TQFP и MLF $($также выпускаются в 40-выводных корпусах типа DIP$)$ с максимальным числом контактов ввода/вывода равным 35 $($модели с возможностью подключения внешнего ОЗУ$)$ или 32 $($остальные модели$)$. Для разработанного устройства было принято решение выбрать корпус DIP40. Atmega 32 – имеет FLASH – память программ объёмом 32 Кбайт, ОЗУ объёмом 2 Кбайт и EEPROM – память данных объёмом 1 Кбайт. Эти модели полностью $($функционально и по цоколевке$)$ обратно совместимы с микроконтроллерами Atmega 323$($L$)$.

Управление ДПТ осуществляется при помощи, двух драйверов двигателей L298. Микросхема L298 представляет собой двойной полный мостовой драйвер, применяемый для управления двигателями постоянного тока и шаговыми двигателями. Благодаря наличию двух мостов микросхема может управлять двумя двигателями постоянного тока, причем независимо, или одним биполярным или униполярным шаговым двигателем. При управлении двигателем постоянного тока микросхема может изменять направление тока в двигателе, реверсируя его или полностью отключать питание. Вход «En» - это вход разрешения работы ключей. Для нормальной работы на этом входе должно присутствовать напряжение «лог 1», тогда логические элементы могут пропускать сигналы управления от входа к ключам. На рисунке 4. представлена схема одного моста микросхемы, а технические характеристики представлены в таблице 1.

Схема одного моста микросхемы

Рисунок 4 – Схема одного моста микросхемы

Таблица 1 - Технические характеристики драйвера L298.

Напряжение питания двигателейдо 50 V
Напряжение питания микросхемы7 V
Максимальный пиковый ток ключей $($t<100мксек$)$3 А
Средний$($постоянный$)$ ток ключей2 А
Потребляемый микросхемой ток не более70 мА
Рассеиваемая мощность25 Ватт
Входной уровень «Лог 0» менее1,5 V
Входной уровень «Лог 1» более2,3 V
Падение напряжения на ключах при токе 1 Ане более 1,7 В
Падение напряжения на ключах при токе 2 Ане более 2,7 В

Обеспечение беспроводной связью сделано на модулях стандарта XBee. RF-модуль XBee-PRO Series 2 реализует возможности протокола ZigBee в низко затратных и малопотребляющих беспроводных сетях. Модуль потребляет минимум энергии и обеспечивает надежную передачу данных между удаленными устройствами, функционирует в полосе частот ISM 2.4 ГГц. Корпус XBee PRO Series 2 представлен на рисунке 5.

    Основные характеристики:
  • Высокая производительность
  • В помещении/городской застройке: до 40 м
  • Вне помещения в зоне прямой видимости: до120 м
  • Мощность передачи: 2 мВатт$($+3 дБм$)$
  • Чувствительность приема: -95 дБм
  • Скорость передачи данных поRF: 250,000 бит/c
  • Расширенные сетевые возможности и безопасность
  • Запросы и подтверждения
  • DSSS $($Direct Sequence SpreadSpectrum$)$
  • Каждый последовательный канал имеет более 65,000 уникальных сетевых адресов
  • Поддержка топологий Point-to-point, Point-to-multipoint и Peer-to-peer
  • Само маршрутизация, самовосстановление и устойчивость к ошибкам в mesh сетях
  • Низкое энергопотребление
  • Ток передачи:40 мА$($3.3 В$)$
  • Ток приема:40 мА$($3.3 В$)$
  • Ток в режиме сна: < 1 мкА 25°C
  • Простота в использовании
  • Готовность к работе «из коробки» - нет необходимости в настройки RF связи
  • Режимы AT и API команд для настройки параметров модуля
  • Малые габариты
  • Широкий набор команд
  • Бесплатное программное обеспечение X-CTU $($для тестирования и настройки$)$
Корпус XBee PRO Series 2 (вид сверху)

Рисунок 5 – Корпус XBee PRO Series 2 $($вид сверху$)$

Интеллектуальный менеджер управления питанием состоит из двух частей сдвигающего регистра 74HC595 и набора мощных составных ключей индуктивных нагрузок. Он предназначен для ввода не используемых частей устройства в спящий режим для экономии энергии.

Стабилизатор питания для всего устройства 7805 - линейный стабилизатор, выполненный в корпусе ТО-220, имеет три вывода. $($+5V стабилизированного напряжения и ток 1A$)$. Так же в корпусе имеется отверстие для крепления стабилизатора напряжения 7805 к радиатору охлаждения. 7805 является стабилизатором положительного напряжения. Т.е. на общем выводе у него будет +, а на вход будет подаваться -. С его выхода, снимается стабилизированное напряжение -5 вольт. В цепи стабилизатора имеются керамические конденсаторы, их число равно числу микросхем в устройстве. Они предназначены для подавления помех. Изображение стабилизатора показано на рисунке 6.

Стабилизатор напряжения

Рисунок 6 – Стабилизатор напряжения 7805

Стабилизатор питания для беспроводного модема LD1117V33 - линейный стабилизатор, выполненный в корпусе ТО-220, имеет три вывода $($+5V стабилизированного напряжения и ток 1A$)$. Так же в корпусе имеется отверстие для крепления стабилизатора напряжения LD1117V33 к радиатору охлаждения. LD1117V33 является стабилизатором положительного напряжения. Т.е. на общем выводе у него будет +, а на вход будет подаваться -. С его выхода, соответственно, будет сниматься стабилизированное напряжение -3.3 вольт.

Заключение

В работе описывается плата системы управления мобильными роботами в составе учебно-методического комплекса по технологиям робототехники, программно-аппаратная платформа, которая может быть использована в различных образовательных и научно-исследовательских проектах.

Работа выполнена при поддержке БРФФИ, договор №Ф13К-144 «Разработка и исследование алгоритмов поведения стайных роботов для поисково-исследовательских работ» $($2013-2015 гг.$)$.

Список использованных источников