студенты гр. АиУ 12-2: Котов М.К., Гущенская О.С., Едигеева А.М.

научный руководитель Лисицын Д.В.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВ РОБОТОТЕХНИКИ И ПРИНЦИПОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ КОНСТРУКТОРА LEGO MINDSTORMS EV3

Часто студенты при работе с техническими объектами и устройствами сталкиваются с проблемой визуального представления процесса. Сложно в уме представить, как будут функционировать отдельные части и вся система в целом. Моделирование процессов на компьютере не дает должного эффекта – теряется реалистичность действий, упускаются нюансы, свойственные реальным процессам (задержка во времени срабатывания, проблемы с механикой и сборкой). Решение этих проблем было найдено в использовании конструктора LEGO MINDSTORMS EV3. Этот конструктор является ярким примером робототехнического комплекса с возможностью программирования.

Серия конструкторов MINDSTORMS была представлена еще в 1998 году компанией LEGO и являла собой возможность создания программируемого робота в относительно миниатюрной реализации. На этом дело не закончилось, и вот, в 2013 году была разработана современнейшая модель LEGO MINDSTORMS EV3.

Дизайн этой серии от датской фирмы достаточно красочный, что особенно отражается в собственной программной среде. Это делает программирование достаточно простым и понятным, чтобы разобраться в нем школьникам и студентам.

Набор включает в себя разнообразие не только сегментов механики, но и датчиков, что как раз должно быть самым важным для учащихся, так как без них, честно сказать, LEGO так и останется детской игрушкой.

Типовой набор содержит микрокомпьютер EV3, являющийся «мозгом» всего робота. Он оснащен операционной системой LINUX, с флэш-памятью 16 МБ и оперативной памятью 64 МБ. Поддерживает Bluetooth и Wi-Fi. Имеет 4 входных и 4 выходных порта, в которые можно подключать различные датчики и моторы, идущие в комплекте. Инфракрасный, ультразвуковой датчики, датчик цвета и освещенности, концевики и гироскоп позволяют дать возможность роботу выполнять практически любую поставленную задачу. Движение осуществляется с помощью сервомоторов.

Игрушечное оформление может натолкнуть на мысль о бесполезности робота, например, в качестве объекта для каких-либо научных исследований у студентов, но на самом деле конструктор рассчитан на серьезные математические расчеты и законы автоматического регулирования.

В качестве примера в сопроводительной документации, идущей вместе с LEGO, даны некоторые алгоритмы программ. Они помогают выполнять простейшие задания, но зная основные принципы управления, более сложные и разветвленные алгоритмы, можно добиться значительных успехов, реализовать движение по траектории и даже собрать сегвей (самобалансирующийся механизм на двух колесах).

Для изучения основ ТАУ студентами КарГТУ был собран робот из конструктора LEGO MINDSTORMS EV3, оснащенный датчиком освещенности и двумя сервомоторами. Этот робот должен был двигаться вдоль черной траектории, не съезжая с нее.

В качестве способа управления движением был выбран принцип ПД-регулирования, так как он отвечает необходимым требованиям. Пропорциональная часть определяет величину ошибки – отклонение от заданной траектории, а дифференциальная часть реагирует на быстроту ее изменения. Вначале за основу было взято П-регулирование, но, как видно на рисунке 1, характеристики ПД значительно мягче и соответствуют благоприятному движению робота по траектории.

В процессе опытов при превышении допустимых коэффициентов регулирования система выходила из устойчивого состояния (перерегулирование). После расчета границ устойчивости ситуация была решена.

Рисунок 1 – Графики зависимости угла поворота от освещенности при ПД- (1) и П-регулировании (2)

Проделанная работа показала практический подход к проблемам управления в теории автоматического регулирования. Использование LEGO MINDSTORMS EV3 при изучении автоматизации и робототехники позволяет получить большой практический опыт.