Знакомство с роботами
Мы получаем множество вопросов от будущих участников соревнований Война Роботов, которые при создании своих роботов не знают с чего начать. Иногда у меня создается впечатление, что они начинают с котроллера - последнего звена в правильной цепочке проектирования. Общее правило при проектировании машин состоит в том, что следует прежде спроектировать механизм, делающий в точности то, что требуется, а затем уже приступить к разработке того, как им управлять. Мне довелось работать на сварочном производстве, где я проектировал системы управления для автоматических сварочных машин, и моей инструкцией конструкторскому отделу всегда было следующее: «Вы проектируете мне машину, которая делает то, что требует механическая специфика, а я найду способ, как ей управлять».
Робот – это сложная система, в которой механика и электроника взаимодействуют с человеком для обеспечения требуемого результата. Во всех механических/электронных системах вы должны вначале рассмотреть механику. Сколь бы ни была хороша электроника, она никогда не сможет компенсировать плохо спроектированную механику. С другой стороны, хорошая механическая конструкция может потребовать минимума электроники.
Поэтому, данная страница помещена здесь в качестве общего руководства по роботам, для того чтобы дать вам некоторые идеи и помочь разобраться в ваших предпочтениях.
Содержание данной страницы
Типы систем управления/привода
Существуют два основных семейства систем управления такими машинами, как роботы:
- Можно использовать один ходовой электродвигатель и отдельную систему рулевого управления. Таким образом, конечно же, устроено большинство радиоуправляемых машин, и на этот рынок ориентировано большинство систем радиоуправления. Это машина "с раздельными ходовой и рулевой частями".
- Можно использовать два электродвигателя и поворачивать за счет дифференцированного управления скоростью при помощи двух реверсирующих контроллеров скорости. Именно эта система удовлетворяет большинство создателей роботов – её плюс в обеспечении большей маневренности. Это машина "с дифференцированным ходом", или машина, "поворачивающая юзом".
Конечно, возможны и вариации вышеприведенных типов, например, с приводом на все четыре колеса, шагающие машины, и т.д. Но все роботы, виденные мной на Войнах роботов, принадлежат к одной из двух вышеприведенных категорий. Однако я сомневаюсь, что этот список исчерпывающий.
Возможно, полезно будет отметить, что механизмы перечислены по возрастающей сложности управления.
1. Раздельные ходовая и рулевая части
Вращающийся шарнир
Здесь отдельное ведущее колесо поворачивается на штыре, так что оно может ехать в любом направлении, как показано на рисунке. Тело машины располагается в зависимости от трения и центра масс, следуя за поворачиваемым ведущим колесом.
Если ведущее колесо способно поворачиваться насколько угодно (что требует наличия токосъемных контактных колец для питания электропривода), то привод не требует контроллера направления движения, так как смена направления достигается просто поворотом колеса на 180 градусов. В большинстве таких машин поворачивающий штырь может быть моторизован с постоянной скоростью, так что машине потребуется очень простая система управления, состоящая из двух реле (одного для прямого движения и одного для обратного) и одного контроллера скорости мотора без реверсирования. Подходящим контроллером скорости мотора может быть один из контроллеров производства компании 4QD серии 2QD, или Scoota (которые также обеспечивают регенеративное торможение).
Интересной вариацией такой машины может быть сфера с механизмом внутри, наделяющим ее способностью поворачивать. Проблема состоит в том, что будет трудно управлять ею удаленно, поскольку не будет видно, куда механизм направлен. Но вы, конечно, можете использовать прозрачную сферу.
Автомобильный тип
Эта система рулевого управления, первоначально использовавшаяся в автомобилях и состоящая из заднего привода и направляющих передних колес, не слишком маневренна для робота. В современных автомобилях используется передний привод с управляемыми ведущими колесами, и реализация такой системы в роботе механически очень похожа на машину с дифференцированным ходом. Для систем автомобильного типа требуется более простая система рулевого управления, поскольку нужен управляющий мотор (прямой и реверсивный, постоянной скорости) только с одним реверсирующим контроллером. Подходящим контроллером может быть контроллер производства компании 4QD из серии NCC, - они применялись, в частности, в детских машинках, и аббревиатура «NCC» как раз означает «Котроллер для детских машинок» ('Noddy Car Controller').
Простейший робот, в котором используется эта система, будет, конечно трехколесным, или даже двухколесным со стабилизатором на каждой стороне.
Эта система рулевого управления может выглядеть очень простой, однако, это целиком механическое решение. В машинах такое решение состоит из механической связи с поворачивающим колесом и обеспечения правильной геометрии рулевого управления (непростая задача). Система электрического контроля может включать электрический привод поворачивающего колеса, но это не решает механических проблем. Напротив, это еще больше их увеличивает: скорость и сцепление мотора должны быть правильными, и вам нужно каким-то образом ограничивать смещение, также нужно как-то определять, что смещение достигло предела и мотор надо остановить.
Конечно, для робота может быть намного проще сделать сервопривод. Ведь радиоуправление сервоприводом просто двигает рычаг на определенный угол, и вы должны суметь связать это с системой рулевого управления.
2. Дифференцированный привод
Когда машина с двумя пространственно разнесенными колесами (расположенными на общей оси, или раздельно) осуществляет поворот, внешнее колесо должно пройти большую дистанцию, чем внутреннее, как показано на диаграмме. По этой причине автомобили должны иметь дифференциальную передачу.
Это отличие в пройденном расстоянии не только является причиной, по которой необходим дифференциал, но именно оно и позволяет функционировать дифференцированному приводу. В случае дифференцированного привода каждое из пары колес (по одному с каждой стороны) является ведущим и контролируется индивидуально, так что им можно придать разные скорости. Если одно колесо вращается быстрее другого, машина вынуждена повернуть, как показано на выше приведенной диаграмме.
Достаточно очевидно, что дифференцированная система управления требует наличия двух контроллеров скорости мотора, хотя они могут быть расположенными в одной коробке, будучи замаскированными под один контроллер. Более того, если машина должна разворачиваться «на месте», то каждый контроллер должен быть способен полностью независимо обращать направление скорости. Существуют, фактически, два типа систем, управляющих такими машинами.
Танковый тип, или независимое управление
Здесь используются два отдельных канала, каждый со своим «джойстиком». Перемещение одного джойстика ускоряет или замедляет только один мотор. В такой системе можно использовать два контроллера с двумя раздельными джойстиковыми интерфейсами. Главный контроллер имеет скоростной вход (который можно использовать при помощи педали акселератора) и реверсирующий вход (для переключения вперед/назад). Комбинированный рычаг скорости и направления (такой как джойстик) является потенциометром, вызывающим нулевую скорость в центральном положении. Перемещение рычага вперед вызывает движение машины вперед, а перемещение назад вызывает движение назад. Джойстиковый интерфейс содержит простую цепь для передачи этого «центр-ноль» контроллера на соответствующие входы скорости и направления.
Следует заметить, что реальной гусеничной машине может потребоваться много энергии (и большой ток в моторе) для разворота на месте, как становится ясно из диаграммы.
Зеленые стрелки иллюстрируют машину, поворачивающуюся вокруг своей оси. На концах траков стрелки идут практически под прямыми углами к гусенице, перемещение вдоль направления хода гусеницы минимально и концам гусеницы приходится скользить в бок. Поэтому, если гусеница имеет хорошее сцепление, поворот будет практически невозможен, только вблизи центра гусеницы нет бокового скольжения.
Очевидно, чем длиннее гусеница, тем более этот эффект усугубляется, а чем шире разнесены гусеницы, тем лучше поворачиваемость. Если гусеницы разнесены достаточно широко (по сравнению со своей длинной), то тем лучше они воспроизводят поведение двух обычных колес.
Чтобы уменьшить трение при повороте, используйте два ведущих колеса и позвольте ведомым колесам поворачиваться, как на шарнире, чтобы им не пришлось скользить вбок. Не забудьте, что здесь имеется схожий затрудняющий эффект в случае широких колес.
«Газ и руль»
Этот тип также называют дифференцированным контролем.
Два ведущих колеса управляются каждое своим мотором и контролером скорости мотора. Управление осуществляется при помощи джойстика: при его перемещении вперед и назад изменяется скорость (и направление) сразу обоих моторов, так что машина движется по прямой линии. Перемещение рычага джойстика из стороны в сторону уменьшает скорость одного мотора, одновременно увеличивая скорость другого, что заставляет машину поворачивать.
В большинстве радиоуправляемых систем используются два отдельных рычага, один для изменения скорости (вперед-назад), другой – для поворотов (из стороны в сторону), но принцип такой же, как и в случае рычага с двумя степенями свободы.
Конечно, если скорость машины невелика, контроллеру понадобится обратить вращение одного колеса для осуществления поворота. В двухканальном интерфейсе все это предусмотрено, и в нем есть регулируемая реализация управления типа «газ и руль», включающая «микс-контроллер», который изображает реакцию рулевого колеса. Это очень популярный и многократно использовавшийся метод управления скоростью.
Системы контроля
Теперь давайте более подробно рассмотрим доступные контроллеры и пути реализации (и улучшения) различных систем. В конце этой страницы находится список полезных ссылок. На первый взгляд может показаться, что существует слишком много вариантов, и сделать выбор достаточно непросто. Однако этот «компоновочный блок» имеет одно большое преимущество: вы можете смонтировать практически любую систему управления, от простой экономичной 1-тактовой системы, до полной двухканальной 4-тактовой системы, способной подавать до 300 Ампер на канал. Вы также можете спроектировать вашу собственную систему. В разделе электроники сайта-истоичника на www.4qd.co.uk вы можете найти электрические схемы и советы по построению собственного контроллера.
Контроллеры скорости мотора
Если вы не знакомы с терминологией контроллеров скорости, то можете обратиться к справочнику по свойствам контроллеров на сайте-истоичнике.
4QD производит несколько контроллеров без реверсии. Egret - экономичный контроллер скорости мотора без регенеративного торможения для маленьких, простых машин. Серии Uni и Scoota имеют больше возможностей.
Затем идет серия NCC: реверсирующие контроллеры. Можно обратить электромотор с постоянным магнитом, просто переставляя провода двухполюсным переключателем. Однако если проделать это на скорости, вся механическая энергия передастся переключателю или контроллеру. Это все равно, что на скорости 90 миль в час дать автомобилю задний ход. Проблема в том, что хотя никто не помышляет проделать это на автомобиле, с электрическими машинами – другое дело. И, как правило, люди именно это и проделывают с электромотором. Поэтому, реверсирующие контроллеры должны переключать на задний ход аккуратно, двойной демпфирующей системы.
Двухканальный интерфейс
Как правило, большинство контроллеров «однонаправленные», т.е. скорость ими регулируется от нуля до максимума (как акселератором в автомобиле), с отдельным прямым/реверсирующим входом (аналог в машине - рычаг переключения передач). Но также бывают реализации, работающие по как однонаправленной схеме, так и с нулем в центре.
Так что обычно требуется дополнительный интерфейс для обеспечения совмещения центрального положения с нулем скорости («нуль в центре»). Интерфейсы, как одноканальные, так и двухканальные, которые могут обеспечить как единое, так и раздельное рулевое управление коммерчески доступны.
Интерфейс радиоуправления
Простейший радиоконтроллер использует стандартный радиоуправляемый сервопривод. Этот сервопривод механически связан с дефлектором, который управляет контроллером скорости обычным образом.
Преимущество этого способа в простоте и наглядности. Более того, механическая связь выступает как хороший барьер для интерференции между щеточным устройством мотора и приемником радиосигнала.
Если вас интересует более подробная техническая информация по контроллерам 4QD, вы можете посмотреть эти две страницы:
Несколько разработчиков роботов создали свои собственные интерфейсы при помощи микроконтроллеров с той или иной степенью успеха.
Некоторые компании производят электронные интерфейсы на основе PIC микроконтроллеров, которые могут переводить управляющие радиоимпульсы в соответствующие сигналы скорости и направления для контроллеров.
Микроконтроллеры
Усовершенствованный робот будет иметь сложную систему управления, и в этом случае удобно использовать микроконтроллеры для обработки импульсов от приемника и для измерения параметров робота; также это усовершенствует контроль над моторами и оружием робота. В таких машинах вы можете просто использовать некоторые контроллеры в качестве «усилителей» для обеспечения взаимодействия между микроконтроллерами и моторами.
Подавление радиочастотной интерференции
Ещё одной проблемой, сильно беспокоящей конструкторов робототехники, является интерференция. Целесообразно подавлять шумовое излучение моторов. Единственная рекомендация состоит в подсоединении нескольких маленьких керамических конденсаторов (емкостью в 10нФ) между щетками электромотора. В идеале вам нужно устранить связь между моторами и разместить один конденсатор внутри мотора между щетками. Если количество щеток больше двух, поместите по одному конденсатору между каждой парой щеток. Если этого сделать не удалось, соедините одним керамическим конденсатором (емкостью в 10нФ) два конца мотора, настолько близко к мотору, насколько это возможно. Не соединяйте конденсаторами концы моторов с рамой ходовой части. Это можно делать, только если вы уверены в радиочастотных характеристиках этой рамы, но для большинства роботов она неизвестна. Такие конденсаторы скорее приведут к еще большим проблемам.
В правильно сконструированной системе подавления радиочастотной интерференции должна быть клетка Фарадея (электростатический экран), без дыр, и все металлические детали должны быть тщательно соединены вместе. Вся электроника будет внутри клетки, и особое внимание должно быть обращено на провода, проходящие через клетку. Вот при такой экранирующей конструкции можно соединять конденсаторами щетки электромотора с рамой ходовой части. Но я убежден, что ни один робот, виденный мной на Войнах роботов, не был сконструирован подобным образом, а если клетка Фарадея будет неидеальной, то интерференция, вызываемая конденсаторами, подсоединенными к раме, скорее еще больше увеличит интерференцию из-за излучения в моторе.
Если провода мотора достаточно длинные, то их лучше изолировать и сплести вместе. То же самое касается и проводов батареи. Не забывайте, что по проводам мотора и батареи идет сильный, пульсирующий ток. Поэтому, держите их достаточно далеко о других проводов и от приемника радиоимпульсов.
Электрическая схема, рекомендованная в «полезных советах ВР (Войны роботов)», включает конденсатор на 470нФ, соединяющий щетки электромотора. На частоте 20кГ (используемая переключающая частота), конденсатор на 470нФ имеет импеданс, равный только 17Ом. Поэтому, при используемой прямоугольной форме переключающего импульса, по конденсатору будет идти ток в несколько ампер, что приведет к сильному нагреву. Нагрев будет недопустимо сильным, так как при этом полиэстер пострадает от фольги. Другим недостатком подобной конструкции на больших частотах будет ее большая самоиндукция.
Далее, один конец мотора подключен к плюсу батареи (какой именно конец зависит от направления движения робота), а другой конец переключается между плюсом и минусом батареи (из-за широтно-импульсной модуляции переключающего импульса). Два конденсатора по 47нФ имеют достаточно низкий импеданс (170Ом каждый при 20кГц) для делителя напряжения, так что по этому узлу будут идти волновые импульсы с частотой 20кГц и с напряжением, равным половине ЭДС батареи. Конечно, никому не хочется, чтобы такие токи и напряжения были на ходовой части робота.
Фурье-анализ прямоугольного импульса говорит, что частотный спектр состоит из основной частоты (в нашем случае 20кГц, перепад напряжения 24В) плюс третья гармоника с амплитудой, уменьшенной в три раза (60кГц, 8В), плюс пятая гармоника (100кГц, 5В) и т.д. Поскольку импеданс конденсаторов изменяется обратно пропорционально частоте, то токи высших гармоник через этот конденсатор могут быть достаточно сильными. Ненужные сигналы необходимо подавить должным образом, не испортив при этом нужные сигналы.
Подавление радиочастотной интерференции это скорее искусство, чем наука. Известно, какие действия способны улучшить ситуацию, какие – наоборот, ухудшить, но, в конце концов, все всегда сводится к эмпирическому тестированию. Возьмите портативный радиоприемник и посмотрите, насколько близко вы можете поднести его к роботу, прежде чем интерференция полностью испортит прием. Испробуйте различные действия, и смотрите, что улучшает ситуацию, а что нет.
Другие статьи по этой тематике на сайте-источнике
Интерфейсы
Другие страницы, интересные создателям роботов
|
|
