Толмачов
Р.П., Боцьва Н.П., Снежко Е.М.
Днепропетровский
национальный университет имени Олеся Гончара
Современная робототехника - одна из наиболее быстро развивающихся во
всем мире прикладных наук, поэтому подготовка специалистов в этой области
является важной и перспективной задачей для любого высшего учебного заведения.
Робототехника объединяет в себе физику, радиотехнику, программирование, а для
студентов процесс создания робота – это уникальная возможность получить и
использовать знания и навыки из разных областей науки и техники. Вместе с тем,
это очень затратное научное направление, далеко не каждый вуз может
использовать в учебном процессе дорогостоящих роботов. Вот почему задачей
данной работы стало создание сравнительно простого, недорогого и, вместе с тем,
многофункционального робототехнического комплекса, предназначенного для
изучения на его базе основ робототехники студентами технических вузов.
В результате
работы создан опытный образец робота, в состав которого входят шасси,
центральная плата с присоединенным к ней радиотрансивером MRF24J40MA, карманный персональный компьютер (КПК),
предназначенный для передачи видеоизображения от встроенной камеры через
Bluetooth на отдаленный компьютер, а также акумулятор на 12 В.
Электроника робота базируется на
простых и дешевых компонентах, имеет модульную конструкцию, что позволяет
модернизировать и изменять конфигурацию робота, дооснащивать его дополнительными
устройствами, датчиками и т.п. Основным устройством является микроконтроллер PIC18F4620
– 8-разрядний
RISC микроконтроллер с быстрым гарвардским процессором, памятью программ, памятью данных, портами ввода/ вывода и различными интерфейсными схемами.
Для управления двумя двигателями робота использована
микросхема L298N. При небольших размерах и
простом управлении она позволяет управлять двумя электродвигателями постоянного
тока с максимальной нагрузкой до 2 А на каждый канал (или одним двигателем с максимальной нагрузкой до 4 А в случае
параллельного включения каналов). Главный недостаток L298N – повышенное тепловыделение
и значительное потребление энергии. Из-за этого на случай использования модуля
на предельных нагрузках на корпус L298N установлен радиатор.
Робот оснащен системой
беспроводной передачи данных на базе современного стека протокола MIWI, разработанного компанией Microchip на основе спецификации протокола ZigBee.
Именно использование этого протокола дает возможность соединения робота с
отдаленным ПК и создания объединенной в сеть группы роботов, в которой можно
реализовать перспективные алгоритмы группового взаимодействия.
У радиопротокола MIWI очень широкие возможности,
при этом он намного проще для изучения, чем протоколы ZigBee, Bluetooth и WIFI,
поэтому освоение системы беспроводной передачи данных робота на базе протокола MIWI, а
также разработка алгоритмов группового взаимодействия роботов станет для
студентов хорошей практикой при изучении радиосетевых технологий.
Работа сети MIWI реализована по топологии
"Звезда". Это означает, что в случае включения
радиопередающего устройства оно становится PAN координатором – главным устройством сети. После этого осуществляется соединение
между устройством и роботом, в результате робот присоединяется к сети как
конечный пользователь.
В состав программного обеспечения робота входит
программа управления на языке Visual Basic 2008.NET, которая реализует функцию
отдаленного управления. Программа позволяет управлять движением робота,
изменять его скорость с помощью клавиатуры, джойстика или кнопок в окне
программы. Между роботом и программой управления реализована обратная связь: в
случае приема роботом команды, он посылает пользователю подтверждение.
В программе реализована система синтеза речи
на основе программы голосового синтеза SAPI4.0, которая
используется для голосового оповещения пользователя при выполнении программой
отдельных действий, например, при установлении связи с роботом. Данная
программа позволяет достаточно точно передавать русскую речь. Программа
позволяет также "захватить" видеоизображение от какой-либо камеры: Web-камеры, камеры мобильного телефона или КПК.
В состав программного обеспечения входят также программы
для микроконтроллеров робота и радиопередающего комплекса, написанные на языке
С в среде MPlаb IDE v8.33. Данное программное обеспечение
реализует связь между роботом и отдаленным компьютером по протоколу MIWI с топологией сети "Звезда".
Проведено несколько испытаний опытного образца, во время
которых проверялась стабильность работы всех систем робота и качество программного
обеспечения. По результатам испытаний устранены недостатки в системе управления
и решена
проблема сбоев питания микроконтроллера путем добавления в схему
стабилизатора напряжения L75L33. Это позволило увеличить
время автономной работы робототехнического комплекса.
Испытания подтвердили концепцию робототехнического
комплекса и продемонстрировали его основные возможности: время автономной
непрерывной работы около 40 минут, дальность действия радиопередающей системы
около 30 метров в закрытом помещении и 140 метров на открытой местности.
В настоящее время ведется работа по установке на опытный образец четырех инфракрасных датчиков, с помощью которых робот сможет обнаруживать и преодолевать препятствия. В дальнейшем планируется оснастить робототехнический комплекс и другими датчиками, использование которых позволит существенно расширить круг решаемых им задач.
Литература
1. Джон Ловин. Создаем робота-андроида своими руками. - М.:
ДМК-пресс, 2007.
2. Фредерик Жимарши. Сборка и программирование мобильных
роботов в домашних условиях. – М.: NT Press,
2008.
3.
Дуглас Вильямс. Программируемый
робот, управляемый с КПК. – М.: NT
Press, 2006.
4.
Барри Брей. Применение
микроконтроллеров PIC18. – К.: МК-Пресс, 2008.