89b6d7a6
Поиск:  
  
Технологии робототехники
Фотогалерея
Книжная полка
Доска объявлений
Форумы
Контакты

  






  ***

Робот, подающий теннисные мячи, – Mark II (The Electronic Ballboy Mark II).


РобоКлуб/Проекты/Мобильные/Робот, подающий теннисные мячи, – Mark II (The Electronic Ballboy Mark II).



Робот, подающий теннисные мячи, – Mark II (The Electronic Ballboy Mark II)

Автор проекта – Рохан Харрисон (Rohan Harrison) В рамках этого проекта по созданию робота, подающего теннисные мячи, были проведены исследования во многих сферах робототехники, в том числе проектирование и реализация управляющих систем, датчиков и алгоритмов.

Введение

В рамках этого проекта по созданию робота, подающего теннисные мячи, были проведены исследования во многих сферах робототехники, в том числе проектирование и реализация управляющих систем, датчиков и алгоритмов.

The Electronic Ball Boy Mark II – продолжение завершенного в 1998 г. проекта, который продемонстрировал возможность создания программного обеспечения, способного анализировать изображения и выделять на них теннисные мячи, а затем направлять к ним робота. Цель текущего проекта – создать автономного робота, который будет не простым прибором под удаленным управлением компьютера, а самостоятельным модулем.

Архитектура

От выбора архитектуры зависит то, сможет ли робот достигнуть поставленных целей и адекватно отреагировать на события в его окружении. Соответственно, управляющая структура автономного робота должна состоять из двух компонентов: принимающего решения и реагирующего на события.

Стандартные архитектуры, используемые для управления автономными роботами, как правило, имеют уровневую структуру. На самом низком уровне – физическая система, включающая все сенсоры и приводы, от которых зависит взаимодействие робота с окружающей средой. В данном случае, основные компоненты, представляющие этот уровень, включают коммуникационные модули, датчики приближения и препятствий, систему технического зрения, датчики позиционирования, систему энергоснабжения и приводы, такие как регулятор частоты вращения двигателя и систему захвата мяча. Логическая система находится уровнем выше, обеспечивая взаимодействие аппаратного обеспечения с программным, находящимся на верхних уровнях.

На верхнем и наиболее абстрактном уровне системы находятся алгоритмы планирования и принятия решений. Задача этого уровня – одновременное планирование последовательности действий, которые необходимы для достижения поставленной цели, их выполнение и реагирование на данные о происходящих событиях.

Роль функционального уровня – взаимодействие с окружающей средой посредством управления физической системой. Этот уровень включает в себя набор элементарных действий, с помощью которых робот двигается, воспринимает окружающую его обстановку, планирует и вычисляет траектории, оценивает свое положение и т.д. Кроме того, этот уровень осуществляет наблюдение, которое управляет включением рефлекторных действий в ответ на данные о событиях, например, столкновение с препятствием, поступающие с физического уровня.

Последний уровень диаграммы – исполнительный уровень, который обеспечивает интерфейс между уровнем принятия решений и функциональным уровнем, находящимся под ним. Основная задача этого уровня – перевести последовательность действий, запланированных на уровне принятия решений, в команды, которые затем будут использованы функциональной системой.

Датчики приближения

Предполагается, что робот будет функционировать в статичной среде, с определенным рядом фиксированных препятствий, таких как сетка и, возможно, проволочная изгородь. По замыслу разработчиков, датчики положения будут давать достаточно надежную информацию о приближении к этим препятствиям. Тем не менее, робот будет также оборудован датчиками приближения в качестве дополнительной системы предупреждения столкновений. Кроме того, датчики приближения будут предупреждать робота о наличии наиболее динамичного препятствия в его окружении – игроков в теннис.

Тактильное восприятие – один из важнейших источников получения информации об окружающей среде. Его достоинство в том, что оно является непосредственным: не искажается перспективой или внешним освещением, на него не влияет состав вещества или тип его поверхности. Люди используют тактильную информацию для поддержания правильного положения тела, определения физической опасности и контроля ходьбы и схватывания. Таким же образом тактильная информация может быть использована в робототехнических системах.

Хотя известно много техник выделения объектов на близком расстоянии, у каждой из них имеются свои ограничения. Большинство датчиков приближения, работа которых основана на отраженных световых лучах и сверхзвуковых сонарах, зависят от отражательной способности, шероховатости поверхности и других характеристик воспринимаемого объекта. Соответственно, эта техника не может быть использована в данной системе, так как один из объектов, с которыми робот будет наиболее часто сталкиваться, - это проволочная сетка теннисного корта, которая не дает достаточно надежного отражения для датчиков.

Жидкостные датчики приближения, как видно из названия, при определении объектов опираются на сведения о потоках жидкости. Например, когда некоторый объект попадает в поток воздуха, выходящий из сопла, то течение воздуха ограничивается. По результирующему изменению давления можно определить наличие объекта. Однако, эти датчики, как и светоотражающие датчики, чувствительны к ориентации сенсора по отношению к воспринимаемому объекту.

В течение некоторого времени исследовалась возможность использования систем технического зрения для восприятия приближения. Однако применение компьютерных технологий для определения приближения требует слишком больших вычислительных мощностей для анализа изображений; кроме того, на работу таких систем обычно влияет тип обработки поверхности компонентов, рассеянность освещения и неупорядоченность среды. Так как система технического зрения робота уже используется для определения наличия теннисных мячей в поле зрения, то было решено не перегружать систему дополнительной задачей определения близости.

Наиболее логичным выбором в данной ситуации стал набор контактных сенсоров. Такие датчики обнаруживают объекты до того, как они прикасаются к поверхности организма/робота, поэтому могут быть использованы как датчики приближения (ближней локации). Так как они очень легки и, соответственно, обладают низкой инертностью, то эти датчики будут смещать только самые легкие объекты из тех, к которым они прикасаются. Кроме того, с точки зрения технологий, подход очень прост и поэтому дешев.

Контактные сенсоры

Каждый контактный сенсор – это конструкция, состоящая из струнной проволоки, пропущенной через небольшую металлическую шайбу. Когда провод отклоняется, он соприкасается с шайбой и замыкает схему, сигнализируя о контакте. Простая схема защиты от дребезга контактов, изображенная на рисунке снизу, гарантирует то, что выходные данные датчика будут четкими логическими импульсами. Выходные данные каждого датчика пропускаются затем через логический элемент ИЛИ для создания сигнала, который подается на одну из линий внешнего прерывания микропроцессора.

На следующем рисунке показаны два новых контактных датчика, недавно дополнивших систему.

Предполагается, что к финалу разработок, у робота будет в общей сложности 7 контактных датчиков – 6 спереди и 1 сзади. Такая схема расположения была выбрана потому, что робот большую часть времени будет двигаться вперед, к объектам, находящимся в поле зрения; соответственно, контактные датчики наиболее необходимы для этого направления.

6 датчиков, расположенных на передней части робота, были разделены на 2 набора по 3 датчика с каждой стороны робота. Контактные сенсоры на левой стороне были сконструированы так, чтобы обеспечить три уровня восприятия. Первый датчик – работает на расстоянии 300 мм от робота и дает первое предупреждение о приближении объекта. Следующий датчик контролирует зону в радиусе 150 мм. Третий – всего лишь пару миллиметров от робота, он может служить индикатором того, что робот очень близок к объекту или он столкнулся с некоторым препятствием, например, изгородью. Та же схема расположения датчиков применяется с правой стороны робота.

Позиционные датчики

В идеале робот, подающий мячи, должен быть настолько автономен, насколько это возможно, освобождая компьютер от любых задач по управлению, чтобы он мог использовать все вычислительные ресурсы на обработку изображений. Таким образом, вместо того, чтобы отслеживать позицию робота и управлять им, компьютер может просто обрабатывать изображения для нахождения возможных целей. Затем компьютер посылает роботу данные о нужном направлении и местонахождении мяча относительно места, откуда было получено изображение. Робот сам решает, как ему использовать свои приводы для достижения нужной точки и захвата мяча.

Для того чтобы робот был автономным и мог последовательно и с определенной степенью надежности выполнять поставленные задачи, он должен уметь ориентироваться. В данном случае необходимо учитывать, что окружающая обстановка известна заранее и она не изменяется. В общем случае эта окружающая обстановка – теннисный корт прямоугольной формы, размеченный белыми линиями, и сетка посередине. Однако даже если сведения об окружающей среде будут запрограммированы, робот должен будет уметь определять свое местоположение в этой среде.

Для определения своего местоположения и счисления пути большинство роботов оборудованы время-пролетными ультразвуковыми системами или лазерными дальномерами. В общем случае поле, где будет использоваться робот, ограничено проволочными изгородями. Такой тип изгороди – не тот тип поверхности, который может гарантировать четкие отражения, используемые такими датчиками для обнаружения предметов и измерения расстояний. По этой причине в рамках данного проекта было решено отказаться от время-пролетных ультразвуковых систем и лазерных дальномеров.

Другой возможностью было использование систем технического зрения для анализа полученных изображений с целью выделения распознаваемых ориентиров. Этот тип систем был признан не подходящим для данного робота по двум причинам. Во-первых, на теннисном корте недостаточное количество распознаваемых, четких элементов, которые могли бы использоваться как ориентиры. Во-вторых, система технического зрения робота уже занята задачей обнаружения теннисных мячей. Если добавить еще и задачу нахождения ориентиров, то скорость обработки изображений значительно снизится, что повлияет на эффективность робота.

Другой распространенный подход – использование активных маяков для формирования небольшой локальной системы глобального позиционирования. Этот метод также был отклонен по двум причинам. Во-первых, проектирование и построение такой системы само по себе является большим проектом. Во-вторых, необходимость пользователям робота устанавливать систему активных маяков на корте была признана нежелательной.

В качестве альтернативного подхода к проблеме определения местоположения было решено использовать робота с сенсорной системой, которая не требует внешних ориентиров, а производит расчеты на основе данных о собственном движении. Первый компонент такой сенсорной системы – это оптический энкодер, который может измерять пройденные расстояния. Однако робот не может постоянно передвигаться по прямым линиям, так как он ищет теннисные мячи. Соответственно, кроме оптического энкодера, следует использовать компас и/или датчик ориентации.

Оптические энкодеры

Оптические энкодеры позволяют непосредственно конвертировать данные о линейных и вращательных движениях без промежуточного аналогово-цифрового перекодирования. В данном проекте оптические энкодеры измеряют количество оборотов колес и, соответственно, пройденную роботом дистанцию. К передним колесам шасси, сделанного на базе радиоуправляемой машинки, были присоединены два энекодера. Разработчики считают, что при усреднении данных, полученных с двух приборов, может быть уменьшена ошибка, получающаяся из-за случающихся иногда проскальзываний колес, что, соответственно, позволит сделать вычисления более точными.

Базовый принцип, положенный в основу оптических энкодеров, - попеременно прерывать и передавать вспышки света между светоизлучающим диодом и фототранзистором, когда наблюдаемая ось поворачивается. Подсчитав количество переходов свет-тьма, определяемых фототранзистором, и зная количество гнезд в энекодере, можно вычислить результирующее количество поворотов нужной оси. Рисунок 4.3 иллюстрирует этот принцип.

Оптический энкодер, использованный в данном проекте, состоит из фанерного диска, присоединенного к колесу таким образом, чтобы вращаться с той же скоростью, что колесо. В первом прототипе гнёзда были вырезаны через равномерные интервалы по внешней поверхности диска для создания зубцов, как на зубчатом колесе. Однако зубцы оказались слишком хрупкими, они ломались, когда робот сталкивался с каким-либо препятствием. Соответственно, у второго образца робота были вырезаны небольшие отверстия, также через равномерные интервалы, составляющие окружность, диаметром несколько меньше, чем сам диск. Таким образом, внешний край диска – гладкий круг, который более устойчив к повреждениям.

Пара светоизлучающий диод – фототранзистор каждого оптического энкодера находится в приборе с оптическим прерыванием, который был специально разработан для подобных приложений компанией Jaycar. На рисунке ниже показана простая схема, используемая для осуществления взаимодействия прибора с оптическим прерыванием и счетчиков, на цифровой выход которых подается информация о суммарном перемещении. Специально настроенные верхний и нижний пороги компаратора используются для создания буфера для триггера Шмидта. После этого сигнал с выхода компаратора подается на синхронизирующий вход 8-битного счетчика через буфер CMOS.

Датчик, основанный на магнитном компасе

Одним из возможных решений проблемы создания датчика ориентации является использования электромагнитного датчика. Самый простой вариант – обычный магнитный компас, но он подвержен влиянию внешних источников, таких как вибрация, наклоны, ускорение и внешние магнитные поля. Кроме того, традиционный компас не приспособлен к считыванию цифровых данных или работе с компьютерным интерфейсом. Соответственно, были разработаны электромагнитные приборы для замены традиционного компаса.

Выбор конфигурации статичного магнитного датчика можно проводить из нескольких различных техник. 4 наиболее используемых из них – эффект Холла, магнитная индуктивность, неоднородность магнитного поля Земли и магниторезистивность. Ниже приведены различные характеристики этих четырех технологий.

ТехнологияЧувствительностьРазмерСтоимостьПотребляемая мощностьКомментарии
Магнитная индуктивностьВысокаяМаленькийНизкаяНизкая Представляет данные в цифровом формате, компенсирует температурный дрейф
Неоднородность магнитного поляВысокаяСреднийСредняяСредняяПредставляет данные в аналоговом формате, компенсирует температурный дрейф
МагниторезистивностьВысокаяМаленькийСредняяСредняяПредставляет данные в цифровом формате
Эффект ХоллаНизкаяОчень маленькийНизкаяСредняяПредставляет данные в аналоговом формате, подвержен воздействию шумов и температурному дрейфу, используется при создании интегральных схем

Приборы, основанные на эффекте Холла, самые маленькие по размеру, самые дешевые и доступные, но они также наименее чувствительны из всех четырех технологий и подвержены температурному дрейфу и неустойчивости. Их низкая стоимость и маленький размер обусловлены возможностью их получения с помощью монолитных интегральных технологий. Теория функционирования приборов, основанных на эффекте Холла, в кратком виде проиллюстрирована на рисунке ниже.

Если магнитное поле (В) проходит перпендикулярно через тонкую пластину, через которую пропущен электрический ток (I), то по сторонам пластины появится напряжение (V). Диапазон работы этих приборов от 10-6 до100 Тесла (Т). Горизонтальное магнитное поле Земли равно примерно 18*10-6 Тесла, поэтому чувствительность прибора слишком низка, чтобы обеспечить требуемое разрешение, поскольку любое перемещение относительно магнитных полюсов уменьшит величину вектора магнитного поля до некоторого неопределяемого значения.

Собрать самостоятельно прибор, основанный на неоднородности магнитного поля Земли, с использованием тороидального сердечника невозможно из-за возможных дефектов обмотки и неправильного типа материала сердцевины. Так как одна из целей проекта – создать дешевого робота, то магнитоиндуктивный и магниторезистивный варианты также были отклонены. Исходя из всех этих соображений, несмотря на низкую чувствительность, были выбраны датчики, основанные на эффекте Холла.

Статья под названием «Построение электронного компаса» («Build An Electronic Compass»), автором которой является Энтони Каристи (Anthony Caristi), описывает схему, собранную на основе датчика UGN3503U, использующего датчик, работающий на эффекте Холла. Выходные данные этого датчика – напряжение постоянного тока, которое изменяется линейно от значения нахождения в покое 2.5 Вольта с изменением положения относительно силовых линий магнитного поля. Основная идея, положенная в основу такой схемы, - удвоить чувствительность этого компаса посредством учета разницы между двумя приборами, сориентированными в противоположных направлениях. Соответственно, когда схема выровнена по магнитному полю Земли, выходное значение одного из приборов будет максимально, а другого – минимально, разница, таким образом, максимальна.

Авторы проекта надеются, что эффективность базовой схемы, описанной в этой статье, может быть улучшена посредством использования схемы измерительного усиления для расчета разницы между данными двух датчиков, основанных на эффекте Холла. Кроме того, для получения более точных измерений, можно использовать две пары датчиков, расположенных перпендикулярно по отношению друг к другу, для разложения магнитного поля Земли на компоненты х и у.

Удвоитель напряжения

Различные компоненты аппаратного обеспечения робота потребляют различное количество электроэнергии. Мотор работает от напряжения 7.2 В, камера с ПЗС-матрицей и высокочастотный телепередатчик требуют 10-12 В, а микроконтроллер и другие логические элементы – 5 В. В первой модели робота для каждого компонента использовались специальные батареи с различными напряжениями. Однако такой подход неэффективен, поэтому было принято решение использовать одну батарею с напряжением 7.2 В, а для прочих элементов получать необходимое напряжение из этого источника.

Разработка источника питания с напряжением 10-12 В началась с того, что было замечено, что удвоенное напряжение 7.2 В минус удвоенное падение напряжения даст примерно необходимую величину.

Наиболее распространенный метод создания преобразователя постоянного тока требует использования блока питания с регулируемым напряжением и индуктора. Применив управляющий конденсатор, можно избежать использования индуктора и радиопомех, образующихся во время его использования.

Как проиллюстрировано на рисунке ниже, удвоитель напряжения Кокрофта-Уолтона (Cockroft-Walton) (известный также как генератор подкачки заряда или схема управляющего конденсатора) состоит из двух конденсаторов и двух диодов, которые следуют за буферным каскадом, получающим на входе сигналы прямоугольной формы. Когда выход этого буфера – логический ноль, первый входной конденсатор С1 заряжается через диод D1 на напряжение одного диодного перехода от напряжения на положительной шине. Когда входной меандр поднимает напряжение в буфере, на одном из контактов конденсатора С1 потенциал резко поднимается с 0 Вольт до полного напряжения питания. Так как конденсатор не может разрядиться моментально, напряжение на другом его конце поднимается до напряжения, равного двойному напряжению питания минус один диодный переход. Диод D2, который ранее предотвращал разрядку выходного конденсатора С2 из-за изменений, происходящих с С1, теперь дает возможность конденсатору С1 разрядить конденсатор С2 до напряжения, равного двойному напряжению питания минус два диодных перехода.

Конвертеры управляющего конденсатора были придуманы достаточно давно по причине необходимости источников энергии маленького размера для приложений, работающих на батареях, и привлекательности безиндукторных схем. Однако такие приборы могут работать с силой тока не более 100 мА. Но эксперименты по расходу току камер с ПЗС-матрицей и высокочастотных телепередатчиков показали, что минимальный расход тока только этими приборами – 125 мА.

Тем не менее, было решено, что достоинства безиндукторного подхода являются достаточным основанием для конструирования дискретных компонентов схемы удвоителя, способного генерировать бóльшую силу тока. Следует отметить, что конфигурация вышеприведенной схемы означает, что конденсатор С2 заряжается только тогда, когда выходным значением буфера является логическая единица, в течение полупериода периода входного сигнала прямоугольной формы. Еще одна идея заключается в том, чтобы объединить схемы удвоителей в выпрямитель тока от диодов с мостовой схемой. Тогда выходной конденсатор будет заряжаться от двух входных конденсаторов с каждой стороны моста, которые питаются от дополнительного канала входного меандра. Таким образом, выходной конденсатор заряжается за полный период входного меандра. Эта усовершенствованная схема показана на следующем рисунке.

В центре этой схемы – простой двухтранзисторный осциллятор прямоугольного сигнала. Основным преимуществом использования такого типа осциллятора в этом приложении является то, что частота, на которой он работает, может быть легко изменена, и он генерирует дополнительные выходные сигналы. Схема работает неправильно из-за плохо сделанного буферного каскада. Соответственно, эта базовая схема была модифицирована для того, чтобы соответствовать потребностям робота в электроэнергии.

Было решено заменить транзисторы этого буферного каскада на MOSFET приборы (канальный полевой униполярный МОП-транзистор) для переключения входных конденсаторов между напряжениями питания. Эти приборы легче включить и они генерируют бóльшую силу тока для входных конденсаторов (соответственно, на выходном конденсаторе значение силы тока тоже выше). Кроме того, во включенном состоянии сопротивление у них ниже, поэтому перепад напряжения у них также ниже, поэтому они включают входные конденсаторы на напряжении, которое гораздо ближе к напряжению питания, что в конечном счете дает бóльшую силу тока на выходе. Модифицированная схема показана на нижеследующей диаграмме.

Как можно увидеть на этом рисунке, каждый буферный каскад MOSFET состоит из двух MOSFET приборов, последовательно соединенных между положительной и заземленной шинами, причем входной конденсатор удвоителя присоединен к точке их соединения. Так как n-канальные MOSFET-приборы дешевле и более доступны, чем р-канальные приборы, то оба прибора в буферном каскаде – n-канальные MOSFET’ы.

Однако использование n-канальных MOSFET’ов создает дополнительные трудности, так как для включения необходимо, чтобы напряжение между затвором и истоком было больше определенного порогового значения. Так как сток верхнего MOSFET’а в буфере присоединен к положительной шине, то это значит, что напряжение, требуемое для включения прибора, должно быть больше, чем напряжение на этой шине. Для решения этой проблемы была добавлена дополнительная схема удвоителя для питания стороны высокого напряжения каждого MOSFET’а. Напряжение, генерируемое каждой дополнительной схемой питания, более чем достаточно для включения MOSFET’ов. Дополнительные схемы питания очень просты, для работы им требуется небольшая сила тока для зарядки емкости управляющего электрода после включения MOSFET прибора.

Вся схема удвоителя может быть разделена на несколько составляющих. Простой двухтранзисторный осциллятор создает сигнал прямоугольной формы на одной стороне и дополнительный сигнал на другой стороне. Затем эти два сигнала поступают в компараторы с пороговыми уровнями, установленными на значение приблизительно в 2.5 раза меньшее, чем напряжение на положительной шине. Эта составляющая предназначена для превращений колебаний в RC-цепочке в сигнал прямоугольной формы.

Затем выходы каждого компаратора на каждой стороне осциллятора используются в разных частях схемы. Во-первых, каждый компаратор используется для питания базы транзистора, которые включает простую схему удвоителя напряжения. Выходы этих схем обеспечивают напряжение, требуемое для питания стороны высокого напряжения MOSFET прибора или верхнего MOSFET прибора. Во-вторых, выходы каждого компаратора используются для включения нижнего MOSFET’а на противоположной стороне моста.

Наконец, выход каждого компаратора питает другой компаратор с пороговым значением приблизительно в 2.5 раза меньшим, чем напряжение на положительной схеме. Выход каждого из этих компараторов затем используется для включения верхнего MOSFET’а на той же стороне моста через нагрузочный резистор, присоединенный к одному из выходов удвоителя. Кроме того, что это удобный способ включения MOSFET прибора, каждый компаратор выполняет и другую важную функцию. Порог на входе гарантирует, что между выключением нижнего MOSFET’а и включением верхнего будет некоторое время. Это же, в свою очередь, гарантирует, что оба прибора в буфере не могут быть включены в одно и то же время.

Каждый буферный каскад MOSFET’а затем используется для переключения контакта конденсатора между напряжением на положительной шине и землей. Другие контакты каждого из этих конденсаторов затем подсоединяется к каждой стороне диодного моста. Затем мост питает выходной конденсатор, гарантируя, что напряжение в приборе поднимается до вдвое большего, чем напряжение на положительной шине.

Система технического зрения

Чтобы найти и отследить местоположение теннисного мяча, робот был оборудован камерой с ПЗС-схемой. Изображения, полученные с ее помощью, затем передаются компьютеру через маломощный высокочастотный телепередатчик. Компьютер обрабатывает изображения с целью обнаружения теннисных мячей в текущем поле зрения.

Нижеследующее изображения показывает, как камера с ПЗС-схемой установлена на роботе.

Камера была установлена таким образом, чтобы обеспечить наибольшую гибкость в позиционировании камеры, таким образом, чтобы камеру можно было разворачивать в любых направлениях.

Системы передачи информации

Компонент системы технического зрения, обрабатывающий изображения, находится на внешнем компьютере. Соответственно, для взаимодействия с удаленным компьютером роботу необходима система передачи информации. В данном проекте для передачи изображений от ПЗС-камеры компьютеру используется простой маломощный высокочастотный телепередатчик.

Кроме того, высокочастотный передатчик имеет аудиоканал, который используется для передачи аудиоинформации от микроконтроллера робота обратно компьютеру. Сообщения, передаваемые по этому каналу, могут включать информацию о текущем местоположении и состоянии робота. Данные передаются с помощью сигнала прямоугольной формы на частоте приблизительно 10 КГц. Этот сигнал модулируется посредством простой схемы, в которой логической 1 соответствует сигнал полной амплитуды 1 В, а логическому 0 – 0 В. The audio channel input of the UHF transmitter is AC coupled, so a 0.5V DC voltage level will be sent during logic 0's so that the average voltage seen by the input of the transmitter is always about 0.5V. Эта схема приведена на рисунке снизу.

После того, как компьютер обработал изображения, он должен передать результаты роботу. Таким образом, для взаимодействия компьютера и робота была использована пара радиопередатчик – радиоприемник, которые работают с цифровыми данными.

Для создания системы передачи данных, в материнскую плату микроконтроллера 80C552 была вставлена дочерняя плата. Эта дочерняя плата физически и функционально заменяет чип MAX233 драйвера линии RS-232. Она получает поток данных, передаваемых микроконтроллером, и конвертирует его в сигнал, подаваемый на вход аудиоканала высокочастотного телепередатчика. Кроме того, данные, которые посылает компьютер через пару передатчик/приемник, также передаются микроконтроллеру через дочернюю плату.

Ловушка

Способность обнаружить мяч и приблизиться к нему – только часть задачи. Робот должен также уметь схватить мяч и доставить его к некоторой точке, где его сможет забрать пользователь. Следовательно, одна из основных задач проекта – проектирование и создание системы захвата мяча.

После перебора многих различных вариантов, было принято решение в пользу простого по сути своей, и соответственно, дешевого и легко реализуемого решения. Кроме того, система должна была использовать пассивную технику захвата мяча. То есть система не должна требовать подпружиненные приводы или сервоприводы для захвата мяча, а также не должна требовать «перезагрузки» после захвата одного мяча. Система, созданная в рамках этого проекта и названная «Ловушка», отвечает всем этим требованиям. На нижеследующих рисунках изображена эта ловушка в двух различных ракурсах.

Ловушка присоединена к передней части робота. Она сконструирована из листов клееной фанеры толщиной 0.4 мм, которые были согнуты и приклеены друг к другу для создания ламинарной структуры. При взгляде сверху эта структура имеет полукруглую форму, ее глубина – приблизительно 100 мм. Таким образом, у робота есть вогнутая «чаща» для мячей.

Во входном отверстии этой фанерной «чаши» есть деревянная перекладина. Эта перекладина расположена близко к верхней части «чаши» таким образом, чтобы оставить достаточно пространства для мяча. Эта перекладина достаточно прочна и служит также эффективным бампером для робота. Кроме того, немного ниже и впереди от этой деревянной перекладины имеется металлический прут диаметром 1 мм. На этом пруте, напротив входного отверстия ловушки, находится некоторое количество свободно болтающихся предметов, похожих на зубы.

Каждый «зуб» сконструирован следующим образом: слой пробковой древесины толщиной 1.5 мм между двумя слоями клееной фанеры толщиной 0.4 мм. Соответственно, каждый зуб – легкий, но при этом прочный и при столкновениях срабатывает как амортизатор. Каждый зуб может быть описан как некоторое количество соединенных сегментов. На нижнем конце каждого – длинная, тонкая секция прямоугольной формы, а на верхнем – секция той же ширины, но меньше длины. Между этими двумя секциями расположена квадратная секция, у которой в середине – небольшое отверстие, открывающее часть металлической шайбы, также помещенной между слоями фанеры. Отверстие в шайбе предназначено для «насаживания» каждого зуба на металлический стержень. Когда этот стержень находится напротив входного отверстия ловушки, каждый зуб находится в таком положении, что задняя часть его верхней секции находится напротив основной перекладины.

Когда мяч катится по направлению к вогнутой части ловушки (или при поступательном движении ловушки робота по направлению к находящемуся в стационарном положении мячу), мяч вступает в контакт с зубьями, болтающимися во входном отверстии ловушки. Так как зубья легки и трение между металлическими шайбами и металлическим стержнем почти отсутствует, то они не оказывают сопротивления мячу и поворачиваются назад. Соответственно, мяч попадает в ловушку и катится в вогнутую ее часть.

Когда мяч ударяется о внутреннюю часть ловушки, он начинает катиться назад и снова соприкасается с зубьями, на этот раз с другой стороны. Однако в этом случае зубья не провернутся, так как верхние секции каждого зуба будут защемлены основной перекладиной. Следовательно, зубья будут заблокированы, и мяч останется внутри ловушки. Все вышеописанное представлено на рисунке снизу.

Когда мяч надежно закреплен внутри ловушки, робот может использовать вогнутую часть как ковш экскаватора и просто отвезти мяч на «базу». Эта база состоит из наклонной плоскости, по которой робот поднимается до тех пор, пока передний его край не пересекает ее края. Так как у ловушки нет дна, мяч просто упадет в корзину, помещенную под нижним краем наклонной плоскости и предназначенную для сбора мячей, принесенных роботом.

Таким образом, ловушка и зубья используются как односторонние клапаны, обеспечивающие простой способ захвата теннисных мячей. Эта система не предъявляет особых требования к системе управления робота, так как робот должен просто подъехать к мячу и «смести» мяч зубьями ловушки.

 


Автор конструкции: Рохан Харрисон
gale
Electronic Ball Boy Mark II

Комментарии

Добавить комментарий к мобильным