Базовые механизмы управления шагающим роботом

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) Кафедра «Робототехнические системы и комплексы»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту

На тему: «Базовые механизмы управления шагающим роботом»

Студент: Иванов Николай Валерьевич Руководитель проекта: Карпов Валерий Эдуардович Специальная часть: В. Э. Карпов Конструкторско-технологическая часть: В. Э. Карпов Экономическая часть: В. М. Чурков Охрана труда: В. А. Савин Заведующий кафедрой: А. В. Вишнеков МОСКВА 2012

• ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
• Актуальность работы
• Цель работы и задачи
• 1. ВВЕДЕНИЕ
• Проблематика шагающих механизмов
• Обзор рынка
• 2. КОНСТРУКЦИЯ ХОДОВОЙ ЧАСТИ
• Классификация и общие принципы
• Разработка конструкции макета
• Архитектура
• Обзор и обоснование выбора микроконтроллера
• 3. КОНТРОЛЛЕР РОБОТА
• Микроконтроллер
• Сеть
• Контроллер
• Датчики
• 4. БАЗОВЫЕ АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
• Программа контроллера
• Структура программного комплекса
• Программа монитор
• Демонстрационная программа
• 5. ЭКСПЕРИМЕНТЫ
• 6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• Анализ рынка
• План производства
• План рисков
• Финансовый план и финансовая стратегия
• Экономическая эффективность
• 7. ОХРАНА ТРУДА
• 8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
• ПРИЛОЖЕНИЯ
• 1. Принципиальная схема контроллера
• 2. Листинг программы контроллера
• 3. Листинг демонстрационной программы
• 4. Краткое руководство пользователя
• 5. Пример фрагмента mdf файла
• 6. Пример hxs файла
• 7. Чертежи макета
• 8. Протокол внутренней связи контроллера

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

шагающий робот управление

Актуальность работы

Исследованием проблем построения адаптивных шагающих машин и управления их движением занимаются многие научные коллективы в России и за рубежом. Интерес к этому направлению объясняется тем, что по сравнению с традиционными колёсными и гусеничными машинами шагающая обладает принципиально лучшими характеристиками по проходимости как при ходьбе по слабым грунтам, так и при перемещении по поверхности со сложным рельефом.

Шагающие машины являются сложными механическими системами с большим количеством управляемых степеней свободы. Каждая нога должна иметь как минимум три привода, чтобы обеспечить возможность поместить стопу в произвольную точку в трёхмерном пространстве, естественно в пределах некоторой рабочей зоны, определяемой конструкцией ноги. Таким образом, шестиногая шагающая машина должна иметь 18 приводов — степеней свободы. Система управления должна быть построена так, чтобы обеспечить координированное движение всех ног, обеспечивающее заданное движение корпуса. Специфичной для шагающей машины является задача планирования движений ног. С одной стороны, шагающая машина обладает лучшей проходимостью благодаря тому, что для её перемещения необходимы дискретные опорные точки, а не непрерывная колея. С другой стороны, необходимы специальные алгоритмы поиска этих опорных точек [Буданов, 2005].

Сложность создания шагающих механизмов обусловлена прежде всего проблемами адекватности математических и имитационных моделей. Исходя из этого, при проектировании многозвенных механизмов и систем управления важнейшее значение имеют натурные макеты и модели. Особенно это касается учебной сферы, где должны применяться недорогие универсальные технологии создания подобного рода моделей и устройств.

Цель работы и задачи

Целью работы является разработка программно-аппаратного комплекса для проведения исследований в области шагающих робототехнических устройств.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Разработка конструкции исполнительных механизмов платформы шагающего робота;

2. Разработка системы очувствления, использующая силомоментные, тактильные, телевизионные, акустические и др. сенсоры, а также системы ориентации и навигации;

3. Алгоритмы управления, обеспечивающие обратимое дистанционное управление системой приводов с учетом динамики исполнительного и задающего механизмов, приводов и управляющих свойств человека, а также реализующие супервизорное и автоматическое управление;

4. Разработка универсальных контроллеров;

5. Разработка системы управления высокого уровня;

6. Разработка архитектуры автономной системы управления шагающим роботом;

7. Разработка базовых алгоритмов управления, обеспечивающих автономное и супервизорное управление.

1. ВВЕДЕНИЕ

При движении в сложных условиях машины с шагающими движителями могут быть более эффективными в сравнении с традиционными транспортными средствами. Использование шагающего способа передвижения дает качественный рост ряда основных показателей транспортных машин по сравнению с колесными и гусеничными движителями. Имеют место принципиально более высокие возможности по адаптации к опорной поверхности и профильная проходимость, высокая маневренность, допускающая перемещение машины в произвольном направлении и повороты на месте, возможность работы на слабых грунтах, возможность управления опорными реакциями и стабилизации положения корпуса при движении.

Природа не создала колеса просто потому, что система рычагов более приспособлена для передвижения по естественному грунту. Этому способствуют свойства опорно-двигательного аппарата шагающего движителя: дискретность колеи и наличие нерабочего пространства ног. Под дискретностью колеи понимают прерывистость контакта движителя, в данном случае с поверхностью передвижения. Под рабочим пространством ног понимается пространство, окружающее корпус, точки которого достижимы для опорного элемента шагающего движителя. Эти свойства шагающего движителя позволяют предполагать высокую опорную и профильную проходимость для искусственных шагающих средств передвижения. Кроме сильно пересеченной местности, для обычного транспорта непроходимой является и среда, приспособленная для обитания человека: здания с узкими проходами, резкими поворотами, лестничными маршами.

Шагающие машины могут успешно использоваться для транспортировки грузов, в том числе и негабаритных, в условиях бездорожья. Также возможно их использование для осуществления различных технологических операций в нефтеи газодобывающих отраслях (в условиях тундры, пустыни, леса и др. сложных условиях). Шагающие машины, благодаря дискретному и близкому к статическому взаимодействию стоп с грунтом, практически не разрушают экологически ранимый почвенный покров. Предполагается использование шагающих робототехнических комплексов для аварийно-спасательных работ в экстремальных условиях и ликвидации последствий природных и техногенных катастроф. Проведение ремонтно-восстановительных работ на очистных сооружениях промышленных предприятий. Возможно использование мобильных робототехнических систем с шагающими движителями в военных целях. Шагающие машины могут оказаться эффективными при ликвидации последствий военных действий, например, для поиска и разминирования мин. Известны разработки шагающих роботов для исследования поверхности планет. Существуют шагающие роботы, для передвижения внутри труб и для вертикального перемещения. В последнее время также становятся популярными шагающие роботы для домашнего сервиса, отдыха, медицины.

В настоящее время разработки шагающих машин ведутся во всех развитых странах. Существует несколько полномасштабных образцов (массой более 1 т) пригодных для реальных транспортно-технологических операций (рис 1). К ним, в частности, относятся шагающая машина ASV (США), предназначенная для передвижения по пересеченной местности, мобильный робот Ambler (США), спроектированный по заказу NASA, шагающий робот MECANT, разработанный в Хельсинкском технологическом университете, а также финская шагающая машина фирмы Plustech, предназначенная для лесного хозяйства. [Чернышев, 2008]

Рис. 1. Шагающие машины «тяжелой» весовой категории (массой более 1 т): ASV (a), Ambler (б), Plustech (в), MECANT (г)

Проблематика шагающих механизмов

Шагающий аппарат представляет собой сложную механическую систему. Трудности, связанные с проведением в жизнь идеи активного и целесообразного передвижения с использованием ног связаны с необходимостью управления большим числом степеней свободы, обеспечивающих требуемые кинематические возможности шагающего устройства. Большое число управляемых степеней свободы аппарата требует сложной компоновки, разработки высокоэффективных приводов, специальной организации стоп, рассеивающих энергию удара, и т. д. Система управления должна обеспечить переработку информации о местности, принятие решений о характере движения, контроль над их реализацией. Создание системы управления аппаратом — является одной из проблем шагающего робота, так как опыт создания даже самых сложных систем автоматического управления невозможно непосредственно использовать для построения системы управления шагающим роботом. Алгоритмы, с помощью которых реализуется управление роботом, весьма сложные. Например, траектории движения звеньев исполнительного механизма должны формироваться с учетом его динамических свойств и обеспечивать устойчивость движения робота в пределах шага, а обратная задача кинематики подразумевает решение системы нелинейных алгебраических уравнений со многими переменными итерационным методом. Динамические свойства робота как механической системы требуют обеспечения высокой (порядка единиц миллисекунд) точности выдержки временных параметров процессов управления. Таким же должно быть и время реакции на различные события, сопровождающие движение робота (например, столкновения). С появлением вычислительной техники, исследования в направлении создания шагающих машин получили широкое развитие. [Тимонов 2002]

В этом ключе интересно рассмотреть композиционную концепцию построения шагающих роботов, т.к. эта концепция сходна с физиологическими моделями управления движением в живых организмах. Поэтому можно полагать, что композиционная концепция является биологическим подходом в робототехнике.

В соответствии с этой концепцией низший уровень управления локомоционным процессом может быть представлен как результат коллективной работы независимых замкнутых систем автоматического регулирования (регуляторов). Какие-либо связи между отдельными регуляторами (горизонтальные связи) отсутствуют. Иными словами, шагающий робот как единый автомат может быть представлен композицией некоторого количества элементарных независимо функционирующих автоматов, а локомоционный процесс результатом совместного действия этих автоматов. Каждый автомат решает свою собственную задачу и таким путем вносит свой вклад в формирование локомоционного процесса.

Каждый элементарный автомат представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования и управляет только одним суставом. В то же время отдельный сустав в различных фазах цикла движения ноги может управляться несколькими различными регуляторами. Одноименные суставы всех ног управляют одним из параметров походки, например, таким как длина шага, высота тела робота относительно опорной поверхности или же скорость передвижения робота. Управление всеми суставами робота осуществляется параллельно, что обеспечивает высокий уровень распределенности системы управления.

Желаемые параметры походки робота задаются более высоким уровнем системы управления и остаются постоянными в процессе ритмичной ходьбы. Такой подход к проблеме шагающих роботов существенно упрощает управление локомоционным процессом и делает его более наглядным.

Реализация предлагаемого подхода для построения шагающих роботов может быть достигнута путем решения проблемы сенсорных систем для автоматов. Эта проблема была решена путем применения наборов датчиков, объединенных в сенсорную систему, способную измерять каждый параметр походки [Чернышев, 2008].

Создание шагающих механизмов — это задача с очень давней историей. Пожалуй, основные конструкторские принципы были еще в IX веке в работах Чебышева.

На рис 2 изображен стопоходящий механизм П. Л. Чебышева.

Рис 2. Стопоходящий механизм Чебышева Сегодня исследования по механике и управлению движением мобильных роботов проводятся во всех развитых странах мира.

В области теории их движения и управления Россия, благодаря работам Ю. Ф. Голубева, В. Г. Градецкого, Е. А. Девянина, С. Л. Зенкевича, И. А. Каляева, А. В. Ленского, В. А. Лопоты, И. М. Макарова, И. В. Новожилова, Д. Е. Охоцимского, В. Е. Павловского, В. Е. Пряничникова, А. В. Тимофеева, А. М. Формальского, Е. И. Юревича, А. С. Ющенко и др. занимает одно из ведущих мест в мире.

Вопросы механики шагающих движителей наиболее детально рассматриваются в работах ученых Института машиноведения РАН, где разработана теория построения рациональных движителей многоногих шагающих машин.

В области теории движения и управления шагающими роботами адаптивного типа наиболее известны работы ученых Института прикладной математики РАН и Института механики МГУ показано, что решение таких сложных задач как построение адаптивного движения конечностей, обеспечение статической устойчивости шагающих машин, стабилизация и управление движением и др. могут быть успешно решены.

Наиболее детально вопросы механики и управления движением многоногих шагающих аппаратов рассмотрены в монографии Д. Е. Охоцимского и Ю. Ф. Голубева. В работе определяются методы описания и исследования походок многоногой машины, рассматриваются вопросы статической устойчивости и распределения реакций при движении шагающей машины, описывается динамическая модель движения, рассмотрены вопросы построения движения шагающих движителей, вопросы стабилизации движения и методы построения законов движения машины на местности.

При разработке шагающих аппаратов весьма актуальны проблемы динамики и управления движением. Так же рассматриваются вопросы математического моделирования управления движением и энергозатраты; рассматриваются задачи динамики управляемого движения шагающих машин и вопросы связанные с синтезом их систем. Разрабатываются алгоритмы управления и динамическая и динамическая модель управления шагающими аппаратами. На практике часто используют несколько математических моделей для изучения характеристик одной и той же машины в разных режимах ее движения, учитывая наиболее существенные для данного режима факторы. В этих условиях целесообразно иметь универсальную обобщенную динамическую модель, которая может быть трансформирована в более простые модели при решении частных задач [Чернышев, 2008] Однако, для поставленных задач в данном дипломном проекте, нет необходимости в построении математической модели, поэтому все исследования будут проводиться на натурном макете.

Обзор рынка

Kondo. Японская компания Kondo представляет свой продукт на рынке — шестиного робота KMR-M6 (рис 3) — простую и доступную платформу. Стоимость данного продукта примерно $ 900.

Рис 3. Шагающий шестиногий робот KMR-M6 (фото с сайта.prorobot.ru)

В комплекте с KMR-M6 поставляется объемный набор дополнительных элементов: проставки, камера, сервомоторы, захваты. Робот несет на борту аккумулятор емкостью 800 мАч, бортовая сеть функционирует при напряжении 10,8 В. В комплект поставки также входит зарядное устройство, однако время автономной работы KMR-M6 производитель не заявляет. [prorobot]

Hexapod Robot Kit. Hexapod Robot Kit (Китай) — шестиногий паук (рис 4), который может передвигаться по пересеченной местности. CDS5516 сервомашинки имеют параметр 14kg/cm максимального крутящего момента, что позволяет роботу стоять даже на двух ногах. Платформа позволяет добавить множество датчиков и модулей для всех ваших потребностей. Цена данного продукта 40 000р. [electronshik]

Рис. 4. Hexapod Robot Kit

Наборы комплектующих. Также на рынке робототехники существуют комплектующие, на основе которых можно самому построить шестиногого шагающего робота, такие как сервоконтроллер Pololu Mini Maestro 12-каналов USB. Pololu Mini Maestro — очень универсальный сервоконтроллер и плата общего назначения ввода/вывода. Он поддерживает три способа управления: USB для прямой связи с компьютером, последовательный TTL для использования со встроенными системами, и с внутренними скриптами для автономного использования. Каналы могут быть сконфигурированы как серво выходы для использования с сервоприводами или как электронный регулятор оборотов, как цифровые выходы, или как аналоговые входы. У чрезвычайно точного импульса с высокой разрешающей способностью задержка меньше чем 200 нс, что позволяет этому сервоконтроллеру удовлетворить самые требовательные области как робототехника и аниматроника, встроенное управление скоростью и ускорением для каждого канала, позволяет получать плавные движения, без рывков и не требует чтобы источник контроля постоянно вычислял и передавал промежуточные обновления положения к Pololu Mini Maestro. Pololu Mini Maestro также позволяет конфигурировать частоту импульса от 1 до 333 Гц, этот широкий диапазон импульса дает большую точность и рабочий ход современным сервомоторам. Устройства могут быть сопряжены с дополнительными сервои мотоконтроллерами по единственной последовательной линии.

Программа конфигурации и управления, для Windows и Linux позволяет просто сконфигурировать и протестировать устройство по USB, создать последовательности перемещений сервомотора для аниматроники или шагающих роботов, пошагово записать и выполнить скрипты, сохраненные в сервоконтроллере. 8 Кбайт внутренней памяти Pololu Mini Maestro позволяет хранить скрипты с приблизительно 3000 позициями сервомоторов, которые могут быть автоматически воспроизведены без компьютера или внешнего микроконтроллера.

Поскольку каналы Pololu Mini Maestro могут также использоваться как цифровые выходы общего назначения и аналоговые входы, они предоставляют возможность считать показания с датчиков и управлять периферией непосредственно с ПК по USB. А также эти каналы могут использоваться системой совместно со скриптами для создания аниматроники, которые могут отвечать на внешние стимулы, вызывая дополнительные события при управлении сервоприводами. Стоимость этого микроконтроллера порядка 900 руб.

Так же имеются в продаже сервоприводы, такие как HSR-5498SG с увеличенным крутящим моментом. Скорость 0.22/0.19 сек, крутящий момент 6.0/7.4V 11/13.5 кг. Стоимость такой машинки порядка 2500 р. [all-robots.info].

2. КОНСТРУКЦИЯ ХОДОВОЙ ЧАСТИ

Классификация и общие принципы

Согласно общепринятой классификации, шагающие машины можно разделить на следующие категории, характеризуемые способом построения траектории движения опоры или управления ей: на основе замкнутых рычажных систем; с моделированной траекторией; с педипуляторным управлением и адаптивные.

Шагающие машины на основе замкнутых рычажных систем обеспечивают неизменную траекторию опоры. В качестве механизма шагания либо используется готовый механический преобразователь, либо по выбранной оптимальной траектории синтезируется нужный механизм. К характерным недостаткам этого класса машин можно отнести неравномерность вращения ведущего вала привода; отсутствие управления высотой машины; отсутствие возможности выбора точки опоры и др.

Более эффективным передвижением обладают шагающие машины с гибкой моделированной траекторией. В этом случае выбранная номинальная траектория может изменяться оператором по нужным параметрам. Существенный недостаток данного типа машин заключается в проблеме обеспечения устойчивости и простого способа управления.

Шагающие машины с педипуляторным управлением основаны на использовании обратной силовой связи. Человек контролирует свои физические действия посредством нескольких органов чувств, а основной механизм шагания реагирует на усилие и перемещение конечностей человека. При этом часть усилия на механизме шагания в виде отраженного сигнала через обратную силовую связь воздействует на органы чувств человека, воспроизводя в соответствующем масштабе реальную физическую картину внешнего воздействия. Другим направлением в создании систем с педипуляторным управлением явилось создание так называемых антропоморфных экзоскелетонов, крепящихся на тело человека в виде скафандра и предназначенных, во-первых, для увеличения силовых возможностей человека, во-вторых, для реабилитации двигательных функций парализованных больных. Шагающие машины с педипуляторным управлением имеют существенный недостаток — движение осуществляется при непосредственном участии человека и при этом интенсивность работы машины определяется физическими возможностями оператора.

Еще одним направлением является создание адаптивных шагающих машин, в которых человеческие возможности с точки зрения мышления и органов чувств заменяются датчиками адаптации и вычислительной техникой. Продолжающиеся успешные разработки систем управления и адаптации позволяют надеяться на возможность создания подобных шагающих механизмов, представляющих практический интерес. Машины этого направления имеют много общего и развиваются параллельно с промышленными роботами и манипуляторами, управляемыми от ЭВМ. [Афанасьев и др. 2005]

Среди известных механизмов шагания наиболее широко исследованы телескопическая, ортогональная, пантографная схемы (рис. 5) и плоские цикловые механизмы (рис. 6). Телескопическая, ортогональная и пантографные схемы, как правило, представляют собой плоские механизмы шагания. Возможно использование телескопических, ортогональных и пантографных пространственных схем. В этом случае их габариты значительно возрастают. «Лошадиная» и инсектоморфная (в частном случае антропоморфная) являются пространственными схемами. Эти схемы зачастую копируют конечности животных и насекомых (рис. 7). [Чернышев, 2008]

Рис. 5. Схемы шагающих движителей: телескопическая (а), ортогональнальная (б), пантографная (в), «лошадиная» (г), инсектоморфная (д) Рис. 6. Цикловые механизмы шагания: 4-х звенный (а); 4-х звенный с измененяемым положением оси коромысла (б); 6-ти"звенный (в); 4-х звенный с корректором закона вращения кривошипа (г) Рис. 7. Кинематическая схема инсектоморфного механизма шагания:

1, 2, 3 — звенья механизма шагания, 4 — корпус машины

Разработка конструкции макета

Была разработана система управления ходьбой шестиногого робота, каждая из конечностей которого приводится в движение с помощью трех сервомоторов (всего 18 приводов). Наличие микроконтроллера в системе управления позволяет задать произвольный сдвиг фаз в работе двигателей и, таким образом, обеспечить реализацию походки любого типа. Очевидно, управление перемещением шагающего аппарата должно быть организовано так, чтобы при ходьбе ни одна из конечностей не создавала помех для другой. Естественно, самое простое решение проблемы предотвращения столкновений движущихся конечностей — принципиальное устранение самой возможности столкновений путем выбора границ зон достижимости каждой из ног таким образом, чтобы соседние зоны не имели перекрытий. [asar.my1.ru]. Однако в данном разрабатываемом макете данные зоны пересечения существует. Это связано с тем, что конструкция макета при размерах исключающих зоны пересечения конечностей будет иметь избыточный вес, что в свою очередь приведет к избыточной нагрузке на сервоприводы. А проблема пересечения зон решается программным путем управления конечностями.

О степенях свободы. Существует множество шестиногих и четырехногих моделей шагающих роботов, которые требуют больших степеней свободы в своих ногах. Соответственно, наличие большего количества степеней свободы требует большего количества управляющих механизмов для каждой из ног. Если для этой цели используются сервомоторы, то для каждой ноги потребуются два, три или даже четыре двигателя. Необходимость в таком количестве сервомоторов (приводов) диктуется тем, что требуется как минимум две степени свободы. Одна для опускания и поднимания ноги, а другая — для движения ее вперед-назад. Однако две степени свободы позволяют реализовать передвижение только вперед-назад и повороты, но не дают возможности использования разных видов походок. На рис 8 представлена модель шестиногого шагающего робота имеющего всего три степени свободы. Эта модель разработана в лаборатории робототехники Политехнического музея. Модель приводится в движение за счет работы трех сервоприводов и механизма синхронизации ног.

Рис8. Робот с тремя степенями свободы

В разрабатываемом макете будет использоваться три степени походки на одну ногу (рис. 9). Схема избыточна, однако позволяет реализовать различные варианты походки.

Рис. 9. Кинематическая схема ноги

Форма корпуса выбрана округлой, что позволяет реализовать движение в любых направлениях (рис 10).

Рис10. Укрупненная кинематическая схема робота

На рис 11 представлен внешний вид ноги.

Рис 11. Внешний вид ноги

Предложенная кинематическая схема и конструкция робота была промоделирована с помощь пакета 3Ds Max, см. рис 12.

Рис. 12 3D модель

Чертежи приведены в приложении 7.

Архитектура

Шагающая машина состоит из следующих основных частей: корпуса и систем электроснабжения, передвижения, управления, информации и связи с супервизором. Система энергоснабжения обеспечивает энергией все системы робота; система передвижения выполняет основную задачу — работу механизма шагания. Система управления стабилизирует положение корпуса робота в пространстве, обеспечивает движение по намеченному маршруту с перешагиванием или обходом препятствий, управляет ногами. Информационная система снабжает систему управления данными об окружающей среде. Она формирует сигналы управления приводами ног, осуществляет сбор информации о состоянии шагающего устройства, формирует стереотипы походок и корректирует их в зависимости от неровности поверхности пола, поддерживает проектное положение корпуса робота.

Общая архитектура представляет собой следующую схему: персональный компьютер, под управлением ОС Windows XP, подключен по каналу связи к группе контроллеров. Контроллеры должны быть объединены в сеть. Каждый контроллер в свою очередь управляет исполнительными механизмами и получает сигналы с датчиков. Схема общей архитектуры приведена на рис. 13.

Рис13. Общая архитектура

Обзор и обоснование выбора микроконтроллера

Микроконтроллер (MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

К микроконтроллерам можно предъявить следующие требования:

· должен быть иметь развитую систему команд;

· иметь flash ПЗУ для возможности внутрисхемного перепрограммирования;

· должен быть оптимизирован под язык высокого уровня;

· иметь легкодоступные средства для написания прошивок и их отладки;

· должен иметь пониженное энергопотребление;

· иметь невысокую стоимость.

Microchip PIC. Один 8-ми разрядный RISC микроконтроллер, отличается своей системой команд, состоящей всего из пары десятков команд. Каждая команда выполняется за четыре такта. есть ряд достоинств, в первую очередь это низкое энергопотребление, и быстрый старт. В среднем PIC контроллере нет такого количества периферии, но зато самих модификаций PIC контроллеров существует такое количество, что всегда можно подобрать себе кристалл с периферией подходящей точно под задачу. На PIC`ax традиционно построены бортовые компьютеры автомобилей, а также многочисленные бытовые сигнализации.

Atmel. Микроконтроллеры AVR имеют более развитую систему команд, насчитывающую до 133 инструкций, производительность, приближающуюся к 1 MIPS/МГц, Flash ПЗУ программ с возможностью внутрисхемного перепрограммирования. Многие чипы имеют функцию самопрограммирования. AVR-архитектура оптимизирована под язык высокого уровня Си. Кроме того, все кристаллы семейства совместимы «снизу вверх» .

Огромную роль сыграла доступность программного обеспечения и средств поддержки разработки. У Atmel много бесплатно распространяемых программных продуктов, в частности — бесплатная среда разработки AVR Studio, работающая под Windows.

Ведущие сторонние производители выпускают полный спектр компиляторов, программаторов, ассемблеров, отладчиков, разъемов и адаптеров.

Немаловажным является и то, что для программирования AVR можно обойтись вовсе без аппаратного программатора. Самым популярным способом программирования этих микроконтроллеров являются пять проводов, подсоединенных к параллельному порту персонального компьютера.

Можно считать, что AVR постепенно становится еще одним индустриальным стандартом среди 8-разрядных микроконтроллеров общего назначения. Они легкодоступны и отличаются в среднем невысокой стоимостью [myrobot]

Вследствие проведенного анализа и сравнения микроконтроллеров, мы видим, что AVR контроллеры являются не дорогими и универсальными микроконтроллерами, по сравнению с семейством PIC контроллеров. Исходя из этого, аппаратная часть робота будет базироваться на микроконтроллере Atmel AVR ATmega48.

3. КОНТРОЛЛЕР РОБОТА

Микроконтроллер

Основой контроллера является микросхема Atmel AVR ATmega48. ATMega48 — низкопотребляющий 8 битный КМОП микроконтроллер с AVR RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATMega48 достигают производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц.

AVR ядро объединяет богатую систему команд и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. В результате эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура.

ATMega48 имеет следующие характеристики: 4 КБ внутри системно-программируемой Flash памятью программы; 256 байтную EEPROM память данных; 512 байтное SRAM (статическое ОЗУ); 23 линии ввода — вывода общего применения; 32 рабочих регистра общего назначения; три гибких таймера/счетчика со схемой сравнения; внутренние и внешние источники прерывания; последовательный программируемый USART; байториентированный последовательный; 2-х проводный интерфейс; 6 канальный АЦП, 4 канала которых имеют 10- битное разрешение, а 2- 8- битное; программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором; SPI порт и пять программно инициализируемых режима пониженного потребления. В режиме Idle останавливается ядро, а SRAM, таймеры/счетчики, SPI порт и система прерываний продолжают функционировать. В Power-down режиме содержимое регистров сохраняется, но останавливается задающий генератор и отключаются все внутренние функции микропроцессора до тех пор, пока не произойдет прерывание или аппаратный сброс. В режиме Power-save асинхронные таймеры продолжают функционировать, позволяя отсчитывать временные интервалы в то время, когда микропроцессор находится в режиме сна. В режиме ADC Noise Reduction останавливается вычислительное ядро и все модули ввода-вывода, за исключением асинхронного таймера и самого АЦП, что позволяет минимизировать шумы в течение выполнения аналого-цифрового преобразования. В Standby режиме задающий генератор работает, в то время как остальная часть прибора бездействует. Это позволяет быстро сохранить возможность быстрого запуска приборов при одновременном снижении потребления.

Встроенная ISP Flash позволяет перепрограммировать память программы в системе через последовательный SPI интерфейс программой-загрузчиком, выполняемой в AVR ядре, или обычным программатором энергонезависимой памяти. Программа-загрузчик способна загрузить данные по любому интерфейсу, имеющегося у микроконтроллера.

ATMega48 поддерживается различными программными средствами и интегрированными средствами разработки, такими как компиляторы C, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы и ознакомительные наборы.

Сеть

I2C. Шина Inter IС Bus (шина соединения микросхем), или, кратко, I2C — синхронная последовательная шина, обеспечивающая двустороннюю передачу данных между подключенными устройствами. Шина ориентирована на 8-битные передачи со скоростью 0−100 Кбит/с в стандартном режиме (Standard Mode), до 400 kbit/s в быстром режиме (Fast Mode) и до 3,4 Мбит/с в высокоскоростном режиме (High speed).

Передача данных может быть как одноадресной, к выбранному устройству, так и широковещательной. Уровни сигналов — стандартные, совместимые с широко распространенной логикой ТТЛ, КМОП, N-МОП, как с традиционным питанием +5 В, так и с низковольтным (3,3 В и ниже). Микросхемы с интерфейсом I2C, как правило, имеют аппаратную поддержку протокольных функций. Протокол позволяет взаимодействовать на одной шине устройствам с различным быстродействием интерфейса. Требования к временным параметрам сигналов весьма свободные, так что на компьютерах и микроконтроллерах, не имеющих аппаратной поддержки шины I2C, ее протокол может быть реализован даже чисто программно.

Интерфейс использует две сигнальные линии: данных SDA (Serial Data) и синхронизации SCL (Serial Clock). В обменах участвуют два устройства — ведущее (master) и ведомое (slave). Ведущее и ведомое устройства могут выступать в роли и передатчика, и приемника данных. Протокол допускает наличие на шине нескольких ведущих устройств и имеет простой механизм арбитража (разрешения коллизий). Число устройств, которые могут быть соединены одной шиной, ограничено только максимальной емкостью шины 400 pF.

RS-232. RS-232 — это название стандарта (RS — recommended standard — рекомендованный стандарт, 232 — его номер), описывающего интерфейс для соединения компьютера и устройства передачи данных.

Стандарт был разработан достаточно давно, в 60-х годах 20-го века. В настоящее время действует редакция стандарта, принятая в 1991 году ассоциациями электронной и телекоммуникационной промышленности, под названием EIA/TIA-232-E.

Интерфейс RS-232 обеспечивает соединение двух устройств, одно из которых называется DTE (Data Terminal Equipment) — ООД (Оконечное Оборудование Данных), второе — DCE (Data Communications Equipment) — ОПД (Оборудование Передачи Данных).

Как правило, DTE (ООД) — это компьютер, а DCE (ОПД) — это модем, хотя RS-232 использовался и для подключения к компьютеру периферийных устройств (мышь, принтер), и для соединения с другим компьютером или контроллером.

Важно запомнить эти обозначения (DTE и DCE). Они используются в названиях сигналов интерфейса и помогают разобраться с описанием конкретной реализации.

RS-485. RS-485 — это номер стандарта, впервые принятого Ассоциацией электронной промышленности (EIA). Cейчас этот стандарт назывется TIA/EIA-485 Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems (Электрические характеристики передатчиков и приемников, используемых в балансных цифровых многоточечных системах).

Интерфейс RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Он поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование специальных конвертеров RS 485 — повторителей интерфейса позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла. Стандарт поддерживает полудуплексную связь. Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников.

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары — двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) — его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе «1», то на другом «0» и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при «1» она положительна, при «0» — отрицательна.

Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего («земли»). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель — дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений. Аппаратная реализация интерфейса — микросхемы приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами.

Контроллер

Таким образом, в основе разработанного контроллера лежит 8-ми разрядная ОЭВМ ATMega48. Внешнее напряжение питания 12 В подается через стабилизатор. Для внутрисхемного программирования иметься разъем для подключения программатора. Также есть разъемы для подключения датчиков и управляемых механизмов.

Соединение контроллера в сеть осуществляется через драйвер ADM485. Структурная схема архитектуры контроллера приведена на рис 14. Схема электрическая принципиальная контроллера приведена в приложении 1.

Рис 14. Структурная схема архитектуры контроллера

Внешний вид контроллера представлен на рис 15.

Рис 15. Внешний вид контроллеров

Датчики

В состав данного программно-аппаратного комплекса входят датчики определения расстояния, акселерометр и датчики касания.

3-х осевой акселерометр MMA7361L собран на базе Freescale MMA7361L XYZ, датчике имеющем аналоговый выход по напряжению и регулируемую чувствительность (1,5 г или 6 г), а функция 0g-Detect выдает сигнал на отдельный цифровой выход в случае когда модуль находиться в свободном падении (сигнал по всем трём осям равен 0g). Работает в диапазоне напряжений от 2,2 до 3,6 В.

Датчик дальность Sharp — датчик расстояния 20 — 150 см GP2Y0A021YK0 °F — Аналоговый измеритель расстояния состоящий из комбинации датчика положения (PSD) и излучающего инфракрасного диода (IRED). Особенности: — диапазон измерения 10 — 80 см — потребляемый ток 33mА — напряжение питания 4.5−5.5 V

Датчик касания — представляет собой концевой выключатель. При касании на выходе появляется высокий потенциал. Схема включения приведена на рис 16, внешний вид датчиков представлен на рис 17.

Рис 16. Схема включения концевого выключател

Рис17. Внешний вид датчиков

Таким образом, архитектура, представленная в данном дипломном проекте, представляет собой три контроллера, каждый контроллер управляет одной парой ног: первый контроллер управляет передней левой и задней левой ногами, второй контроллер — передней правой и задней ногами, третий — средней левой и правой ногами. Так же к контроллерам подключены датчики: к первому контроллеру — датчики касания передней и задней левых ног, ко второму — датчики касания передней и задней правых ног, к третьему — два дальномера и акселерометр. Контроллеры объединены между собой по интерфейсу RS485 и соединены с ПК через USB-RS485 переходник. Структурная схема архитектуры представлена на рис. 18.

Рис 18. Структурная схема архитектуры

Система питания. Система питания логики и силовых установок раздельная. Это сделано для исключения помех в сети питания логики, это связано с тем, что при больших нагрузках сервоприводы начинают потреблять большую мощность, что может вызывать помехи.

4. БАЗОВЫЕ АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Программа контроллера

Программ контроллера работает следующим образом. При подаче питания на плату контроллера происходит инициализация порта RS485 для связи контроллера с ПК. Далее все сервоприводы устанавливаются в свое начальное положение. После чего происходит определение собственного адреса контроллера (адрес выставляется двумя перемычками на плате контроллера и может принимать значения от 0 до 2). Затем происходит инициализация регистров микроконтроллера для получения управляющих сигналов. После получения соответствующего сигнала, на выходах микроконтроллера образуются сигналы, по которым сервоприводы поворачиваются на определенный угол. Далее ожидаются следующие управляющие сигналы от ПК. Алгоритм работы программы представлен на рис. 19.

Рис 19. Алгоритм работы контроллера

Структура программного комплекса

Поскольку основное назначение шагающих машин — передвижение по сильно пересеченной местности, управление ими обязательно должно быть адаптивным. В системе управления при этом выделяют обычно следующие 3 уровня управления:

1) нижний, уровень — управление приводами степеней подвижности ног;

2) уровень — построение походки, т. е. координации движений ног, со стабилизацией при этом положения корпуса машины в пространстве;

3) уровень — формирование типа походки, направления и скорости движения, исходя из заданного маршрута в целом.

Первый и второй уровни реализуются автоматически, а третий уровень осуществляется с участием супервизора.

Для реализации этих принципов управления был создан соответствующий программный комплекс. Программный комплекс состоит из отладочной утилиты — программы-монитора и демонстрационной программы.

Рис. 20 Структурная схема программного комплекса

Программа монитор

Она предназначена для написания и отладки макроопределений (mdf) и сценариев (hxs). Программа монитор написана на языке СИ. Работает под управлением ОС Windows XP. Программа монитор выглядит следующим образом (рис 21).

Рис 21. Интерфейс программы монитор

Интерфейс программы разделен на несколько областей: связь с роботом — устанавливает связь с котроллерами робота; исх. положение — при нажатии этой кнопки ноги робота принимают исходное нулевое положение; сценарий — запуск уже готового сценария движения робота; команда — ручная подача команд роботу; запомнить углы — запоминание выставленных углов. Так же имеются две большие области: левая сторона и правая сторона. Эти области идентичны друг другу по функциональности, различаются только тем, что левая сторона работает с контроллером, подключенного к левым ногам робота, а правая — с контроллером, подключенным к правым. В этих областях имеется шесть ползунков, с помощью которых можно задавать различные возможные углы каждому серво приводу, видеть значение углов и возможность их записи. Кнопка «сигнал» предназначена для тестирования связи программы с контроллером, подключенного к соответствующим ногам, так же можно вывести показания датчиков и значения регистров.

Сценарии. В файлах с расширением hxs описываются сценарии поведения робота. Файл представляет собой набор команд и макроопределений. Встроенные команды имеют вид:

Макроопределения. В файле с расширением mdf описываются макроопределения команд. Формат макроопределения:

<�имя макроса>

командная строка 1

командная строка 2

…

командная строка N

#

Примеры mdf и hxs файлов представлены приложениях 5 и 6.

Демонстрационная программа

Демонстрационная программа реализует базовые алгоритмы управления шагающим роботом. Программа представляет собой консольное приложение, работающее под управлением ОС Windows XP. Написана на языке СИ. Внешний вид программы представлен на рис 22.

Рис 22. Интерфейс демонстрационной программы

Демонстрационная программа работает следующим образом: открывается COM-порт, по которому через переходник на RS485 интерфейс будут передаваться управляющие сигналы контроллерам. Далее происходит инициализация самих контроллеров. После чего идет считывание файла конфигурации mdf. Далее происходит считывание состояний датчиков и если после этого будет нажата клавиша на клавиатуре, то система переключается на ручной режим и управление производится с клавиатуры. Если же ничего не было нажато, то система переключается автоматический режим и робот передвигается самостоятельно, опираясь на данные полученные с датчиков. Завершение программы производится по нажатию клавиши «ESC».

Алгоритм работы программы приведен на рис. 23.

Рис. 23. Алгоритм работы демонстрационной программы

5. ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Эксперименты проводились на основе созданного робота, внешний вид которого приведен на рис. 24.

Рис. 24. Внешний вид робота

В ходе разработки программно-аппаратного комплекса были проведены эксперименты, в ходе которых:

1. были отработанны элементарные действия робота;

2. были отработанны базовые движения робота;

3. были отработанны некоторые виды походок;

4. были отработанные реакции робота на появления различных препятствий.

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Анализ рынка

Сегодня рынок потребительской робототехники остается юным и разрозненным. Разные производители делают разные и абсолютно несовместимые аппаратные средства. Технологии и инструменты затачиваются каждый раз под конкретные проблемы, их практически невозможно повторно использовать. Область очень сложна, требует самой высокой квалификации сотрудников, и при этом имеет место один малоприятный фактор: практически не происходит передачи опыта и знаний между разными областями. Для того, чтобы роботы могли делать что-то полезное в доме или в офисе, логика их поведения и управления ими должна выйти на новый уровень сложности. В целом же все процессы, идущие сегодня в робототехнике, очень напоминают те, что происходили во время становления рынка ПК.

В настоящий момент, производители шагающих роботов предлагают множество готовых изделий или наборов для конструирования шагающих роботов, которыми можно управлять и программно, и в реальном времени, с возможность опционально установки сенсоров температуры, влажности, инфракрасные, ультразвуковые для определения расстояния, акселерометры и пр. Однако данные продукты имеют весьма высокие ценные. К примеру: конструктор Hexapod Robot Kit, DFRobot, стоимостью порядка 40 000р. При приобретении комплектующие по отдельности, при средней стоимости одного сервопривода (с моментом силы 12кг/см) порядка 1500−1700р, стоимости готового микроконтроллера порядка 2500−3000р, и деталей крепежа общей стоимостью порядка 10 000р, конечная цена продукта составит примерно 45 000р.

В данном дипломном проекте, при создании программно-аппаратного комплекса, используется оригинальная конструкция, основанная на применении рулевых сервоприводов.

План производства

Себестоимость продукта включает в себя следующие составляющие:

· Заработную плату сотрудников Зп;

· Социальный налог на заработную плату Н2;

· Накладные расходы на производство Нр (расходы на материалы, сырье, комплектующие);

· Амортизационные отчисления за обоснованно используемое оборудование Ао;

· Процентные отчисления за кредит;

· Страховые платежи.

Для вычисления себестоимости рассмотрим каждую составляющую по отдельности.

Работа, предусмотренная выполнением производственного заказа, носит инженерный характер и предусматривает работу пользователя с программным обеспечением Windows XP, установленным на персональном компьютере. Полный цикл производства выполняется одним сотрудником, имеющими квалификацию и опыт по выполнению возложенного на него обязанности на разных этапах разработки.

Ниже приводится оценка продолжительности отдельных этапов проектирования, составляющих полный цикл разработки:

· Предпроектные исследования и ТЗ 1 мес.

· Реализация проекта 1 мес.

· Разработка технической документации 0,5 мес.

· Сдача работы и подписание акта о приемке 0,5 мес.

Таким образом, трудоемкость работы оценивается в 3 человеко-месяцев.

Заработная плата-инженера соответствующей квалификации оценивается в 18 000 руб./мес., таким образом, суммарные расходы на заработную плату составляют

Зп = 18 000 * 3 = 54 000 руб.

Страховые взносы в Российской Федерации складываются из пенсионного фонда РФ (34%) от заработной платы. Сумма страховых взносов составит:

Н2 = 18 360 руб.

Оборудование рабочего места инженера включает в себя:

· Персональный компьютер;

· Комплект ПО;

Суммарная стоимость оборудования составляет 60 000 руб.

Амортизационные отчисления с вычислительной техники осуществляются в размере 33% ежегодно. За 3 месяцев работы АО = 4 950 руб.

В накладные расходы также входят:

· Проездной билет — 900 руб;

За 3 месяца получаем:

900*3=2700

Согласно эргономическим требованиям к организации рабочих мест, площадь, выделяемая на одно рабочее место, должна составлять не менее 4 м². Исходя из стоимости аренды 1 м² площади 1200 руб/мес (с коммунальными услугами), получаем, что стоимость аренды помещения для одного рабочего места за 3 месяцев равняется 14 400 руб.

Общая сумма накладных расходов складывается из стоимости аренды помещения, коммунальных услуг, отчислений за оборудование, транспорт, стоимости расходных материалов и услуг связи и составляет за 8 месяцев работы

Нр = 14 400 + 4 950 + 2 700 = 22 050 руб.

Поскольку данный проект не требует существенных капиталовложений, то для его осуществления не требуется кредит. Страховые платежи в данном проекте также не рассматриваются.

План рисков

Данный проект теоретически сопряжен с факторами риска, которые могут осложнить разработку или сократить доход, полученный от ее осуществления. Можно отметить следующие факторы риска: