Aplicație Embedded Controlată de pe Un Dispozitiv Mobil

UNIVERSITATEA „LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE ȘTIINȚE

Specializarea: Informatică

LUCRARE DE LICENȚĂ

Sibiu

2016

UNIVERSITATEA „LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE ȘTIINȚE

Specializarea: Informatică

Aplicație embedded controlată de pe un dispozitiv mobil

Sibiu

2016

Declarație pentru conformitate asupra originalității operei științifice

Cuprins

Introducere

Această teză dă un exemplu de lucrare cu privire la modul de a proiecta și implementa o platforma robotizată care simulează un vehicul integrat controlabil de la distanță, format din două subsisteme care comunică unele cu altele folosind tehnologia de comunicare fără fir Bluetooth.

In prezenta lucrare urmărim integrarea deplină a platformei mobile robotizate construite în jurul unui controler Arduino uno v3.

Termenul ”robot” este unul foarte vechi, fiind pentru prima oară introdus în anul 1920, pe scena de teatru ”Rossum’s Universal Robots” de scriitorul ceh – Karel Capek. Termenul semnifică ceva dăunător omului, amenințător pentru societate, asta pentru că după ce erau programați de către oameni, aceste dispozitive reușeau să facă rău cumva creatorului lor. Cu timpul, a început să apară un echilibru, în sensul în care au fost evidențiate o serie de beneficii pe care aceștia le aduceau societății. În anul 1941, scriitorul științifico-fantastic Isaac Asimov a prezis în una din lucrările sale creșterea puternică domeniului roboticii în anii care aveau să vina. Și iată că a avut perfectă dreptate. Explozia din ultimii ani În acest domeniu, a condus la o adevărată revoluție, la o eră guvernată de roboți.

În anul 1956, George Devil împreună cu Joseph Engelberger au creat primul robot din lume. Câțiva ani mai târziu, în 1961, a apărut primul robot industrial creat de compania General Motors și utilizat în fabricile companiei din New Jersey. Abia începând cu anul 1980, au apărut pe piață roboți destinați unor domenii diferite față de cei industriali.

În ultimele decenii, lucrurile au avansat foarte mult dar încă domeniul roboticii este unul deschis, și în care mai există o serie de alte lucruri de pus la punct. Mai mult decât atât, roboții sunt superiori forței umane în privința a tot mai multor aspecte, precum: viteza, precizia, cost etc. Exista, bineînțeles și câteva aspecte la care robotul poate nu va putea niciodată să-l depășească pe om. Un exemplu în acest sens ar fi imaginația. Însă principalul atu al roboților, îl constituie faptul că sunt foarte utili în diverse situații periculoase pentru oameni. În fabricile chimice sau de ce nu la dezamorsarea unor bombe, unde roboții pot fi folosiți cu încredere.

Construcția unui robot se realizează în două etape. Mai întâi el este asamblat, după care trebuie programat. Prin intermediul programării, robotului îi este insuflată inteligența necesară operării după coordonate strict atribuite de om. Inteligența artificială definește capacitatea unui dispozitiv digital sau a unui calculator de a realiza diverse sarcini comune cu un nivel de inteligență caracteristic omului, precum ar fi abilitatea de a înțelege, motiva, generaliza sau învăța din experiența dobândită în timp. Cercetarea în domeniul inteligenței artificiale a început și ea destul de devreme, în anul 1940. Progresele au fost și aici destul de semnificative, ajungându-se în ziua de astăzi să avem o serie de automobile capabile să meargă singure, calculatoare ce pot recunoaște diverse șabloane sau ce pot demonstra diverse teoreme.

Dacă la început, dimensiunea unor calculatoare sau a unor circuite integrate era destul de mare, o dată cu trecerea timpului dimensiunea a fost redusa, tehnologia a evoluat, costul de producție a scăzut semnificativ. De asemenea tensiunea de operare a circuitelor integrate a scăzut foarte mult, lucru ce a determinat ca puterea consumată de către aceste dispozitive să fie și ea din ce în ce mai mica. In acest sens, compania „Raspberry” a lansat deja pe piață începând luna octombrie a anului precedent modelul Pi Zero de dimensiuni reduse 65mm x 30mm x 5mm care mai este numit si calculatorul de 5 dolari.

Proiecte asemănătoare

Momentan există o serie de lucrări și proiecte asemănătoare mai ales prin prisma componentelor hardware utilizate, dar asta nu înseamnă că toate proiectele sunt la fel. O foarte mică diferență, constă în cazul nefolosirii unui servomotor, poate conduce la necesitatea unui algoritm complet diferit. Mai mult decât atât, algoritmul depinde foarte mult și de capabilitățile modulelor harware utilizate. În cazul utilizări unor senzori valorile acestora schimbă parametrii algoritmului și impun o serie de alte limitări ce vor fi discutate în următoarele capitole.

Majoritatea lucrărilor deja existente utilizează servomotoare pentru punerea în mișcare a vehiculului robotizat. Servomotorul poate fi considerat un motor ce are o proprietate foarte importanta, în funcție de tensiunea de intrare și durata de timp a aplicării acesteia, se poate determina cu o precizie bună cu cât se rotește. Lipsa acestuia, după cum vă puteți și da seama, produce o îngreunare a virajelor pe care mașina le va executa. Cum vom putea să ne mai dam seama că am rotit mașina la 90 de grade, de exemplu? în plus, acest ansamblu hardware este și destul de scump, putând ajunge și la 100$ un singur servomotor.

Cine va fi creierul mașinii? Până acum am discutat de periferice, dar toate acestea trebuie să fie coordonate de cineva. Acest ”cineva” este un microcontroler, ce va coordona activitatea întregului sistem. La ora actuală sunt foarte mulți producători de astfel de dispozitive, acestea diferențiindu-se prin caracteristicile oferite; puterea de calcul, puterea consumată, modulele adiționale cu care vine, ușurința programării lor sau de ce nu chiar prețul cu care sunt distribuite. Majoritatea proiectelor analizate utilizează microcontrolere Atmel datorită ușurinței în utilizare și programare a acestor cipuri. Însă dezavantajul acestora față de alți producători, precum Microchip, o constituie faptul că raportul performanță / preț, este mult mai mic.

O mare parte din aceste microcontrolere nu au o putere mare de procesare, motiv pentru care nu sunt capabile să proceseze informație în timp real pe diverse tipuri de ecrane (exemplu ar fi ecranele LCD). În cazul in care atașăm o cameră video robotului acesta necesită echipamente suplimentare, module Wi-Fi sau Bluetooth prin care sarcina e preluată de un alt dispozitiv (fix sau mobil). Alegerea dintre cele două metode nu trebuie să se facă la întâmplare. Tehnologia Wi-Fi este mult mai sofisticata, necesită un consum mai mare de energie (de până la 10 ori mai mare) pentru că are o bandă mult mai mare decât tehnologia Bluetooth (11Mbps în comparație cu 800Kbps), se pot trimite date la distanțe mult mai mari chiar și de 3 ori mai mari, și beneficiază și de o latență mai mică (150ms în comparație cu 200ms). Alegerea se face în funcție de complexitatea proiectului și necesitățile impuse de acesta.

În cele ce urmează o să fie descrise succint două proiecte de roboți, destinați explorării suprafeței unui teren.

Line Follower Robot

Ideea lucrării de față a pornit în urma analizări acestui proiect, așa că voi încerca să pun accentul prezentării pe acesta.

Acest Robot practic urmărește o linie de o culoare închisă (de obicei neagră) pe o suprafață albă, robotul este de tipul explorator el având capacitatea de a fi autonom. Arhitectura lui se bazează pe microcontrolerul AT89S52 pe 8 biți. Acest robot urmează linia neagră care este trasă peste suprafața albă sau urmează linia albă, care este trasă peste o suprafața neagră. Senzorii cu infraroșu sunt folosiți pentru a sesiza linia. Când semnalul infraroșu cade pe suprafața albă, ea se reflectă și în cazul în care cade pe suprafața neagră, nu se reflectă acest principiu este folosit pentru a scana linia pe care se deplasează robotul. Toate sistemele de mai sus sunt controlate de către microcontroler, el primește semnale de la senzorii infraroșu și conduce motoare conform datelor citite de pe aceștia. Două motoare pas cu pas sunt folosite pentru deplasarea acestui robot.

Costul întregului proiect a fost de aproximativ 50$, iar pe componente această sumă a fost distribuită astfel:

Microcontroler AT89S52: 18$.

Doi senzori infraroșu: 15$.

Două motoare pas cu pas: 15$.

Șasiu: 10$.

1.1.2 Maze Solving Robot (Instructables)

Un proiect ceva mai complex in comparație cu cel prezentat la punctul anterior îl constituie un robot tot de tip explorator iar scopul sau final fiind acela de a rezolva un labirint. Întregul proiect este construit in jurul platformei de dezvoltare Arduino Uno și este bazat pe trei senzori cu ultrasunete pentru detectarea distanței, dar care în locul utilizării unor servomotoare pentru stabilirea traiectoriei este folosit un modul de tip giroscop cu trei axe. Acesta se prezintă sub forma unui corp solid căruia i se imprimă o mișcare de rotație în jurul unei axe de simetrie, de obicei, având ca și rol principal; acela de a indica o anumită direcție (fixă în spațiu). Calibrarea vitezei motoarelor pentru a putea păstra vehiculul robotizat la fiecare moment de timp pe traiectoria dorită se realizează din software.

1.2 Motivația alegerii acestei teme

Dintotdeauna mi-a plăcut să fac ceva practic, palpabil din punct de vedere fizic, care să aibă o finalitate și care să nu se reducă doar în a scrie un software (cod). Dar asta nu înseamnă că a face ceva care include și o parte hardware și una software este ceva ușor. În primul rând, necesită foarte multe cunoștințe, mai ales din domeniul electronic care sunt destul de greu de acumulat, chiar si urmând cursurile unor facultăți de profil.

Încă din momentul în care am început să mă gândesc să implementez această lucrare, mi-am planificat să fac ceva care să consume cât mai puțină energie și care deopotrivă să fie cât mai ieftin. Cum modulele cu un preț ceva mai redus le catalogăm, de obicei, ca fiind module mai slabe din punct de vedere al acurateței sau mai predispuse la defecte fie de fabricație ori defecte care apar în urma unor utilizări îndelungate, aceasta a atras după sine o serie de alte probleme pe care le-am identificat și analizat, iar în cele din urmă am ales varianta cea mai optimă pentru realizarea acestei lucrări. Mai mult decât atât, de fiecare dată când a fost nevoie să mă decid, am încercat să fac alegerea cea mai bună din punct de vedere al costului financiar implicat. Deoarece încă de la început am decis ca întregul proiect să se rezume doar la o simpla platforma robotizată, o diferență semnificativă în comparație cu proiectele deja existente o constituie lipsa unor senzori cum ar fi: temperatură,distanță,lumină etc. sau a unui giroscop, adică mai concret lipsa unui element prin care am putea știi la un moment de timp (t) starea vehiculului fără a fi nevoie de alte informații din stări pe care deja le-am vizitat. Pentru realizarea proiectului a apărut nevoie implementării unui modul radio, alegerea fiind Bluetooth în principiu datorită consumului redus de energie în comparație cu tehnologia concurentă Wi-Fi, dar și a numărului din ce în ce mai mare de dispozitive ce au incorporată această tehnologie. În continuare, caracteristicile alegerii acestei tehnologii fără fir a condus la alte probleme ce trebuiau să fie luate în calcul; și anume latența de 100 ms, se traduce prin faptul că putem trimite un număr relativ mic de comenzi pe secunda. De asemenea, cu cât distanța crește cu atât erorile de transmitere devin din ce în ce mai semnificative, iar corectarea lor aduce un nou cost de implementare pentru că va trebui să adăugăm un mecanism de tip CRC.

Capitolul 2.

Concluzii

Bibliografie

Black line following robot

Maze-Solving-Robot-2

Titlu descriptiv, http://www.clasificare.com, (data accesării: zz.ll.aaaa).

Anexe

Anexele vor conține elemente precum:

porțiuni de cod;

tabele de date;

tabele de rezultate de ieșire pe baza cărora s-au efectuat comparații sau s-au tras diverse concluzii în cadrul lucrării;

alte elemente specifice la care s-a făcut referire în lucrare.