Cristech73@yahoo.com 474 Luc Diploma Text
UNIVERSITATEA „VASILE ALECSANDRI” din BACĂU FACULTATEA de INGINERIE = = LUCRARE DE DIPLOMA Sistem de comandă cu microcontroler a unui robot mobil Coordonator științific: Absolvent: Prof. univ. dr. ing. LIVINȚI PETRU Grosu Nicolae 2015 = ATEA “VASILE ALECSANDRI” din BACĂU sjEp FACULTATEA de INGINERIE = Specializarea: Mecatronică Tema proiectului Sistem de comandă cu microcontroler a unui robot mobil 2015 uoday Ajjeu!6u0 – 104937aq wisue!feld 6 Sistem de comandă cu mierocentoler a unul robot mobil/ Cuprins, CUPRINS 1. Introducere. 1.1 Definiții ale roboțior. 1.2 Structura robotului.. 1.3 Clasificarea roboților. 1.4 Aplicați ale roboților. 1.5 Roboții mobil 2. Structura de comandă a roboților. 2.1 Puntea H 2.2 Generatorul de semnal PWM, 2.3 Microcontrolerul ATmega 16. 2.4 Senzori 3. Structura mecanică a unui robot mobil 3.1 Transmisia prin curele. 3.1.1 Clasificare. 3.1.2 Materiale și tehnologii de execuție. 3.1.3 Calculul transrmisilor prin curele late. 3.2 Lagăre. 3.3 Calculul motoarelor de acționare a robotului mobil 4. Realizarea practică a robotului mobil. 4.1 Schema bloc generală. 4.2 Schema electronică, 4.2 Listă componente utlizate în schema electronică 4.22. Dispunere pini și simboluri componente active utlizate în ‘schema electronica: 4.3 Funcționarea. 4.3.1 Blocul de alimentare.. 4.3.2 Blocul microcontroler si driver puntea H 4.33 Bloc senzori optic IR. 4.3.4 Bloc punte H și motoare de curent continuu 4.3.5 interfața serială de programare. 44 Implementarea software. 5. Concluzii 6. Bibliografie. ‘Sistem de comanda cu microcontoler a unui robot mobi introducere 1. INTRODUCERE Robotul este intruparea noțiunii de ‘automatizare si contror, este un produs mecatronic. Termenul de „robot a fost utiizat în 1917 pentru prima oară într-o nuvelă a scritorului ceh Karel Capek. Cuvântul „robota” este cuvânt slav și inseamnă muncă manuală dificilă sau grea. [15] Roboții adevărați, aga cum îi cunoaștem astăzi, au apărut în 1954 când un inginer american, Joseph Engelberger, a depus la oficiul de invenții un patent numit “programmed article transport”. Este deosebit de dificilă formularea unei definiții care să cuprindă toate caracteristicile unui robot In câteva rânduri. Din acest motiv, există mai multe defniți ale aceluiași termen, date de unele dintre companie constructoare sau asociație naționale din domeniu. Fiecare dintre acestea încearcă să definească în moduri dierite, același produs al inteligenței umane. RIA (Robot Institute of America) „Robotul este un manipulator multifuncțional, reprogramabil, destinat deplasării materialelor, pieselor, sculelor sau altor dispozitive specializate prin mișcări variabile, programate: pentru a indeplini anumite sarcini” – JIRA (Japan Industrial Robot Association): „Robotul este un dispozitiv versatii Și flexibil care oferă funcții de deplasare similare celor ale membrelor umane: sau ale cărui functii de deplasare sunt comandate de senzori și de mijloace proprii de recunoaștere”. – BRA (British Robot Association): „Robotul este un dispozitiv reprogramabil realizat pentru manipularea și transportul pieselor, sculelor sau altor mijloace: de producție prin mișcări variabile programate pentru a indeplini sarcini specifice de fabricație”. – General Motors: „Robotul este un echipament fizic cu functionare programabilă capabil să orientate spre manipularea de piese, scule, subansamble” ctueze anumite operații și secvențe de operații în domeniul robotic, cei mai interesanți roboți sunt numiți “obo inteligenți. Ei ar trebui să fie capabili să manipuleze obiecte în lumea reală și să reacționeze la 1 Sistem de comandă cu microcontolr a unui robot mobil Introducere evenimente externe. In plus, ei trebuie să fie fexibi comportamentul. Forma și mărimea robotului nu are importanță în stabilirea faptului de exemplu să-și modifice dacă este sau nu inteligent. Cel mai important criteriu este multitudinea de senzori folosiți de robot. 1.2 Structura robotul Structura unui robot este de fapt, un sistem compus din mai multe subsisteme. Sistemul este un ansamblu de părți componente, elemente și legaturie dintre acestea. Elementele care compun acest sistem se numesc subsisteme. La rândul lor subsistemele pot avea și ele subsisteme, din acest motiv există o ierarhizare gi anume sistemul principal se numește sistem de rangul 1, subsistemele se numesc sisteme de rangul 2, ete Modul cum se compune un sistem din subsisteme și legăturile dintre aceste subsisteme definesc structura unui sistem. Această compunere a sistemelor din subsisteme se evidențiază prin scheme bloc, iar legăturie dintre subsisteme, prin matrici de cuplare (care definesc legăturie dintre „intrările” și „eșiile”) și matrici de structură (care ne arată care subsisteme sunt în legatură). Robotul este un sistem de rangul 1 și se aseamână constructiv cu sistemul unui om, la fl si subsistemele robotului Schema bloc a structurii unui robot este: Fig. 1 Schema bloc a structurii unui robot 2 Sistem de comandă cu microcontroler a unu robot mobil introducere 1.3 Clasificarea roboților 1. Din punctul de vedere al gradului de mobiltate se cunosc roboți fii și roboți mobil, 2. După domeniul de aplicare: a) sector primar (agricultură, mineri); b) sector secundar, producție materială (procese continue și procese discontinue); c) sector terțiar (medicină, domeniul nuclear); 4) sectoare speciale (explorări spatiale, subacvatice etc, 3. Din punct de vedere al sistemului de coordonate roboții funcționează în sistem de coordonate carteziene (18%), cilindrice (33%), sferice (40%) și structura robotului antropomorf. 4. Din punet de vedere al sistemului de comandă: comanda punct cu punct (unde nu interesează traiectoria propriu-zisă): comanda multipunct (implică coordonarea mișcării axelor); comanda pe traiectorie continuă (implică toți parametrii de mișcare). 5. Din punct de vedere al sarcinii manipulate, Din punct de vedere al sistemului de acționare: hidraulică (40%), electrică (30%), pneumatică (21%), mixtă. Din punct de vedere al preciziei de pozitionare. Din punctul de vedere al sistemului de comandă (generație): a) roboți din generația cești roboți sunt practic manipulatoare și roboți programabili (neadaptivi); b) roboți din generația a II-a – roboți adaptivi; c) roboți din generația a-ll-a – roboți inteligenți. Pe baza celor de mai sus, se observă că principalul criteriu de clasificare se referă la sistemul de comandă (sistemul de conducere) 1.4 Aplicații ale robotilor Robotul poate înlocui munca umană, deoarece roboții pot efectua sarcini mai repede decât oamenii. Roboții nu trebuiesc să bea, să fie plătiți sau să se odihnească, în comparație cu oamenii. Ei pot face munca repetitiv și cu mare precizie și nu se vor opri până când sarcina nu plictisesc. te terminată, în timp ce oameni Sistem de comanda cu microcontroler a unul robot mobil introducere Robotul poate fi utiizați în domeniul militar pentru reducerea numărului de victime care apar în timpul acțiunilor miltare find deja o prioritate. Armata folosește deasemenea roboți pentru localizarea și distrugerea minelor pe uscat cât și în apă. spionaj de dușmani și intrarea în bazele inamice pentru colectarea de informați. În zilele noastre un medic poate utiliza roboții în timp ce efectuează intervenții chirurgicale. Un om nu ar fi în măsură să facă o gaură identică de 100 de ori de un inchi lime și lungime. Atunci când se produc medicamente, roboți pot efectua munca oamenilor mult mai repede și mult mai precis si delicat în comparație cu aceștia. Mediii si inginerii uneori pot construi membre protezice prin utlizarea mecanismelor robotizate. Senzorii staționari individuali au intervale și aplicații limitate. Câinii de pază și oamenii pot pierde nivelul de vigilenta în timpul schimburilor și să fe răniți de intruși Sistemele de robot autonome sunt instrumentele care combină precizia senzorilor cu mobilitatea și inteligența oamenilor. Sistemele robotizate autonome de securitate sunt capabili să lucreze multe ore la nivel maxim de vigilenta și precizie. Oamenii sunt interesați de locuri line de pericol cum ar fi spatiul cosmic sau subacvatic. Ei nu pot ajunge acolo așa că se folosesc de roboți pentru explorare. Roboții pot transporta aparate foto și alte instrumente prin care se pot colecta informați Și trimite înapoi pentru prelucrare la operatorii lor umani. Dezvoltarea continuă a robotilor autonomi mărește capacitatea noastra de a explora universul 1.5 Roboții mobili Roboții mobili au un rol foarte important în crearea sistemelor de fabricație automatizate și robotizate. Principala funcție a robofilor mobili este cea de transport între posturile de lucru ale sistemului sau între posturile de lucru și diverse componente auxliare ale sistemului tehnologic. Acest transport se poate referi la piese, scule, dispozitive sau la scule tehnologice (polizoare, capete de sudură, pistoale de vopsit). [8] Roboții mobili se clasificé în trei grupe principale așa cum reiese din clasificarea facută în figura 2. Roboti mobili cu deplasare pe o bază situată pe sol sau cu depl pe sol (pneuri re directă ‘Sistem de comandă cu microcontroler a unui robot mobi Introducere = Robofi mobili cu deplasare pe verticală sau cu deplasare în coordonate (pe vericală și orizontală); – Robot! mobili pe o cale suspendată. Cu deplasare Cu deplasare Cărucioare ] Pe portal sau [ I „Cu masă (placa Cu conveior cu placa Cu convelor cu role Fig. 2. Clasificarea roboților mobili (de transport) Roboții cu deplasare la sol se pot deplasa pe ghidaje sau se amplasează pe carucioare automate prevazute cu roți, cu deplasare pe o traiectorie materializată prin șine direct pe sol, pe o bandă luminoscentă. Acestea din urmă sunt mijloace de transport și manipulare cu un înalt grad de flexibilitate putându-se deplasa pe cele mai înalte traiectorii Cărucioarele automate cu deplasare pe cale suspendată monoșină au instalate pe ele un robot cu un număr mai mare sau mai mic de module de rotație în special și de translație. Un număr mai mic de grade de libertate au de obicei roboții cu deplasare pe un portal sau roboții instalați pe o punte, aceștia din urmă deplasându-se pe portal acest caz traiectoria este materializată pe un fir inductiv sau Sistem de comandă cu mierocontoler a unui robot mebil/ Structura de comandă ale robotlor STRUCTURA DE COMANDĂ ALE ROBOTILOR 2.4 Puntea H Datorită tensiunii și curentului de valori foarte mici furnizate la ieșirea microcontrolerului este nevoie de un circuit de amplificare pentru acționarea motoarelor de curent continuu, [4] © schemă simplă și eficientă pentru comanda acestor motoare este reprezentată de puntea H (In engleză H bridge) Fig. 3 Schema bloc a punți H-bridge Puntea H are în componența electrica intrerupatioare ge tp tranzistor cum ar fi = tranzistoare bipolare (PNP.NPN): – tranzistoare cu efect de câmp cu gria izolată (TEC-MOS canal N. TEC-MOS canal P) Atunci când intrerupatoarele S1 si S4 sunt închise iar intrerupatoare S2 si S3 sunt deschise o tensiune pozitivă va fi aplicată motorului de curent continuu care se va roti în sens direct acelor ceasornic. Prin deschiderea intrerupatoarelor S1 si S4 și închiderea întrerupătoarelor S2 i S3,această tensiune este inversată.făcand posibilă rotirea motorului în sens opus. Fig.4 Schema de funcționare a punții H-brigde LN RRR ERR RRR ERE RES N ‘Sistem de comanda cu microcontroler a unui robot mobil / Structura de comanda ale roboților Puntea H este în general folosită pentru a inversa polaritatea tensiunii de alimentare a motorului. Însă se poate folosi și pentru frânarea motorului (în acest caz motorul se oprește brusc datorită faptului că terminalele acestuia sunt scurteircultate), sau pentru a lăsa motorul să se rotească liber pană la oprire find prezentat în tabelul 1 Tab.1 EX] 32] 53 7 0 0 7 Rotire la dreapta 0 7 7 0 Rotre ta stanga 0 0 0 0 Rotire libers 0 7 0 7 Franare 7 0 ȘI o Franare 2.2 Generatorul de semnal PWM Modulafia în durată a impulsurilor reprezintă o soluție foarte convenabilă de control a cireuitelor și sistemelor analogice, utiizând ieșirile digitale ale microcontrolerului. [5] Pentru a defini termenul, putem spune că PWM-ul este o cale de a controla un semnal digital simulând unul analogic. Valoarea medie a tensiunii de ieșire poate fi reglată prin variația duratelor de conductie, t, side durată, t,. ale semnalului digital Pentru ilustrarea acestui principiu se consideră figura 5. Fig. 5 Modul de funcționare al PMW-lui 7 Sistem de comanda cu microcontolr a unui robot mobi / Structura de comandă ale robotior Valoarea medie a tensiunii de ieșire poate fi determinată cu ajutorul relației: U= EU pax an unde T reprezinta perioada uni ciclu PWM, Se definește astfel factorul de umplere: a=, ael0,1] (22) Se observă că prin reglajul factorului de umplere se poate regia tensiunea medie la ieșire (considerând constanta perioada T a unui ciclu PWM). Pentru a controla turafia motoarelor de curent continuu există mai multe metode: cea mai simplă ar fi inserierea unei rezistențe variabile in circuitul de alimentare al motorului. Prin modificarea valorii rezistenței se modifică tensiunea aplicată motorului. Variația tensiunii nu este proportională cu variația rezistenței și depinde de curentul absorbit de motor. Această metodă nu este eficientă având în vedere faptul că se pierde foarte multă energie prin disipare de caldură. Cea mai eficientă metoda de control a energiei este comanda cu impulsuri modulate in lățime PWM (in engleză Pulse Width Modulation) Factor de umplere 0% – Valoare 0 E Factor de umplere 25% – Valoare 64 Factor de umplere 60% – Valoare 127 ov — = i a pă Factor de umplere 75% – Valoare 191 Factor do umplere 100% – Valoare 256 Fig. 6 PWM ca și regulator de tensiune Sistem de comandă cu microcontroler a unu robot mobil! Structura de comandă ae robotlor Variația turafiei motorului se face prin creșterea sau micșorarea timpului în care semnalul de comanda are valoarea 1 logic (ON). Astfel la un factor de umplere de 100% motorul are turatia maximă,tow este maxim și torr este zero. La un factor de umplere de 50% motorul are jumătate din turația nominală deci *ton= *topp, iar la un factor de umplere de 0% motorul este oprit deci top este maxim, iar toy este zero. az 10019] (2.3) Multe circuite numerice pot genera semnale PWM. Majoritatea microcentrolerelor dispun de această facilitate, conținând număratoare care se încrementează periodic (conectate direct sau indirect la o unitate de ceas) și care sunt resetate la sfârșitul fiecărei perioade a PWM-ului Valoarea numărătorului (TCNT, – Timer / Counter Register n) este comparată permanent cu o valoare de prag (OCR, – Output Compare Register n) și când devine mai mare atunci ieșirea PWM — ului (Output Compare n) trece din valoarea 1 logic în 0 logic (sau invers) figura 7. simp Bea sv w ‘imp Fig. 7 Modul de comutare al semnalului digital Fiecare unitate de temporizare/numărare este capabilă să genereze semnale PWM, astfel că n poate fi 0, 1 sau 2, în funcție de temporizatorul utlizat (figura) Configurarea temporizatoarelor/numaratoarelor pe 8 biți (Timer O si Timer 2), pentru funcționarea în regim de PWM, se realizează prin intermediul registrului TCCR, (Timer/Counter Control Register), unde n poate fi 0 sau 2 în funcție de temporizatorul setat ‘Sistem de comandă cu microcontoler a unul robot mobil/ Structura de comandă ale rbolor uunsnszaaaua uzuus Fig. 8 Microcontrolerul ATmega18 ~ pinii de generare ai semnalelor PWM. Prin intermediul bitilor CS,0, CS, 1 si CS,2 se va stabili frecvența generatorului de tact al temporizatorului/numaratorului n, variabile posibile fiind prezentate în tabelul 2. Tai AZ TEST | S,0 Descriere Yara sursa de tact (temporizator opri) ‘lk (fără prescalare) 0 7 0 KE RBA IKI256 ‘oii024 “sursă de tact pe pinul TO. Tact generat la creștere =) =)=7-7e] Je) 9 sursă de tact pe pinul TO. Tact generat la descrestere. În tabelul 3 sunt prezentați biți WGM,0 si WGM,.1, care oferă posibiltatea de a seta modurile de generare ale semnalelor PWM. 10 Sistem de comandă cu microcontroler a unui robot mobi / Stuctura de comandă ale roboților Tab.3 WM, | WGM,0 | Mod de functionare Valoare maxima 0 0 | funcfionare normala a numărătorulul OFF 0 7 semnal PWM corectat în fază OFF 7 0 Teinifalizare la atingerea valorii de prag | OCR, 7 7 semnal PWM rapid | OxFF În funcție de valorile bitilor COM,0 si COM, 1 din registrul TCCR,, este posibil să se programeze modificarea nivelului logic al pinului OC, când registrul TCNT,, atinge valoarea registrului de prag OCR,,, din tabelul 4. In acest caz pinul trebuie configurat ca ieșire. Tab. 4 COM,,1 | COM,.0 | Descriere zi 9 o Tuncfionare normală a portulul Functia OC, deconectata o 7 comutarea pinului OC, la atingera valorii de prag 1 9 setarea pinului OC, cu valoarea 0 logic la atingerea valorii de prag 7 7 setarea pinului OC, cu valoarea 1 logic Ta atingerea valori de prag Semnalul PWM corectat în fază În acest mod de funcționare registrul de numărare TCNT,, este incrementat până la atingerea valorii OxFF. In acest moment registrul de numărare TONT, începe sa fie decreementat până ajunge la O după care se reia cictul Valoarea logică a pinului OC, (Output Compare n) se modiică numai când registrul TCNT, devine egal cu valoare de prag (Output Compare Register n) atât la creștere cât și la descreștere, după cum se poate vedea în figura 9. în acest mod de funcționare utlizatorul poate modifica oricând valoarea de prag deoarece ea nu va fi transferată modulului de temporizare decât dupa registrul „TCNT, a realizat un ciclu complet de numarare. Modul de funcționare cu reințtializare la atingerea valorii de prag În modul de funcționare cu reinitializare la atingerea valorii de prag (CTC — Clear Timer on Compare Match) valoarea registrului de numărare TCNT, este u Sistem de comanda cu microcontroler a unui robot mobil/ Structura de comandă ae roboților incrementată la fiecare tact până devine egală cu valoarea registrului de comparare OCR, Fig. 9 Semnal PWM corectat în fază În acest moment, registrul TCNT, se reinițilizează cu 0 și se reia numărătoarea. Fig. 10 Modul de funcționare CTC Valoarea logică a pinului OC, se modifică numai când valoarea registrului TENT, devine egală cu valoarea de prag OCR, și va ramâne în această stare până la o nouă resetare a numărătorului, aga cum se poate vedea în figura 11. a Sistem de comandă cu microcontroler a unui robot mos / Stuctura de comanda ale robotior Fig. 11 Modul de funcționare semnal PWM rapid Numărarea se realizează în registrul (TCNT, – Timer / Counter Register n), registru pe 8 biți Valoarea de prag cu care se compară registrul de numărare, se va înscrie în regatru OCR (Ousput Compare Regier). Activarea uneia dintre, intreruperile la atingerea valorii de prag aferente temporizatoarelor/numărătoarelor se realizează prin intermediul bitllor OCIEO, OCIE1A, OCIE1B si OCIE2, din registrul TIMSK (Timer/Counter Interrupt Mask). FIRII De Sei ct at În cele din urmă se va activa sistemul general de întreruperi prin activarea bitului aferent din registrul de stare SREG (Status Register) al microcontrolerului. = Z Ei Fi 3 2 7 D snea Readtents RR AAT PTT imeaivsme 0 a a o o o Sistem ce comandă cu microcontroler a unui robot mobi Stuctura de comandă ae roboților 2.3 Microcontrolerul ATmega 16 ATmega 16 fiind realizat de firma Atmel este un microcontroler RISC pe 8 biti, a cârui AVR combină un set amplu de instructiuni,care au scopul principal lucrul cu regiștrii aceștia find conectați direct Ia unitatea Aritimetico — Logică, permițând ca o singură instrucțiune executată într-un tact să acceseze 2 regiștri independenți. [10] Caracteristicile principale ale acestuia sunt: – 5128 de memorie EEPROM; – 16KB de memorie Flash reinscriptibilă pentu stocarea codului; – 1KB de memorie RAM; – un numărătortemporizator de 16 biți; + două numaratoare/temporizatoare de 8 biți: = confine un comparator analogic; = confine un convertor analog/digital cu multiple intrări: – . oferă 32 de lini intrarefiesire organizate în 4 porturi de 8 biti denumite cu literele A.B,C,D; + . conține un modul USART pentru comunicații serale; = dispune de oscilator inter. Astiel Atmega 16 este un microcontroler puternic care oferă o flexibilitate maritafiind compatibil cu o gama largă de medii de programare, dintre care enumerăm: – . compilator C compilers; – macro ansambler; = programe de debugging și simulare. Structura internă generală a microcontrolerului este prezentată în figura 12. În această structură generală se observa existența unei magistrale generale de date la care sunt conectate mai multe module: – memoria RAM și memoria EEPROM; + unitatea aritimetica și logică (ALU); – nile de intrare (VO) și celelalte blocuri de intrare/iesire care sunt controlate de un set special de registre, fiecare modul având asociat un număr de registre specifice. 1 PREREEREREE EE N A N A N N SN SN N EE Sistem de comanda cu microcontroler ‘unui robot mobil / Structura de comandă ale roboțior . 12 Structura bloc generală a microcontrolerului Atmega 16 Memoria Flash de program împreună eu blocul de extragere a instrucțiunilor, decodare și execuție comunică printi-o magistrală proprie, separată de magistrala de date având principile unei arhitecturi Hamad care permite microcontrolerului să ‘execute instrucțiunile într-un timp foarte scurt Cele 32 de registre de uz general și 64 de registre speciale organizate în 4 porturi sunt mapate de adrese din memoria RAM cuprinse între 0000h și 005Fh. Sistemul de întreruperi ale mierocontrolerului Atmega 16 are un rol foarte important. O întrerupere reprezintă un semnal generat de un modul extern unității centrale de procesare (CPU) pentru a anunța apariia unui eveniment care trebuie tratat. Utiizarea unui astfel de sistem permite implementarea de module specializate care să execute operat in paralel cu CPU și să solicite intervenția acestuia numai la terminarea operatilor sau în alte cazuri definite Atunci când una dintre întreruperi devine activă, cursul normal de execuție al programului se suspendă si se face salt automat la o adresă prestabiită din memoria program. Setul de instrucțiuni Atmega 16 dispune de un registru special de stare ai cărui biți oferă informații despre rezultatul ultimei instrucțiuni ariimetice sau logice executate. Componenta registrului de stare este prezentată în figura 13, ELI Sistem de comandă cu microcontroler a unui robot mobi / Stuctura de comandă ale robotlor nec Inna vane ° een Fig.13 Registrul de stare Registrul de stare SREG are în componență urmatorii bit bitul 1 = indicator de zero; bitul 2 — indicator de rezultat negativ – bitul 3 ~ indicator de depășire în cazul operatilor în complement față de doi; – bitul 4 indicator de semn: = bitul 5 — indicator de transportia jumătate; bitul 6 — bit de copiere; bitul 7 – activare/dezactivare globală întreruperi (valoarea 1 activare execuție intreruperi, valoare 2 dezactivare sursă de întrerupere) Atmega 16 dispune de un set de 134 de instrucțiuni grupate în mai multe categorii =. instrucțiuni aritimetice si logics (ADD Ra,Rr, ADC Rd,Rr; SUB Ra.Rr. ADN RG,Rr; INC Rd; DEC Ra): – . instrucțiuni de salt (JM ike REALL subrutina; RETI; CPSE Rd, Rr; CP Rd, Rr; SBRC RD, B SBRS Ra, b; SBIC, b; SBIS P,b; BREQ etichetă) + instrucțiuni de transfer (MOV Rd, Rr. LDI Rd, k; IN Rd, P; OUT PRI); – instrucțiuni care lucrează la nivel de bit (SBI P, b; CBI P, b; LSL Rd; RORD Ra); – instrucțiuni speciale (NOP; SLEEP; WOR). Porturile Atmega 16 Cele 4 porturi pe 8 biți sunt denumite cu erele A, B, C, D. Fiecar oricărui port se poate seta individual ca intrare sau ieșire fără să afecteze ceilalt pini. Anumiți pini se pot utiliza pentru funcții speciale ale microcontrolerului. In figura 14 este prezentată structura generală a unui pin. pin al 15 ‘Sistem de comandă cu microcontroler 3 unui robot mobi / Structura de comandă ale roboțior 7 I Internal | Pull-up 3 R, Fees bi Le 1 Con | see Figure | Detais Fig. 14 Structura generală a unui pin Toi cei 32 de pini au fiecare cate o rezistență de “pull-up” care poate fi activată sau dezactivată Operațiie cu porturile se fac prin intermediul unui set de patru regiștri alocați fiecărui port: PORT Tx, PINx si DDRx; x poate fi A, B, C, D. Acești regis fac parte din categoria registilor de intrareflesire de aceea instrucțiunile care pot lucra direct cu ei sunt CBI, SB, IN, OUT. Registrii PORTx sunt utilzati pentru a scrie o valoare în portul corespunzator, iar regiștrii PINx se folosesc pentru a citi valoarea prezentată pe pinii unui port Regiștii DDRx stabilesc dacă un pin este intrare sau ieșire. Bitu cu valoare”1” în registrul DDRx face ca pinul corexpunzător să fie considerat ieșire: astiel pinul va fi intre 24 Senzori optici Senzorii optici sunt dispozitive electronice utiizate în general la detecția obiectelor, folosind ca sursă de lumina: lumina roșie sau lumina fraroșie.Senzorul optic cu lumină roșie are avantajul că se afă intr-un spectru de lumină vizibi, iar senzorul optic cu lumină infrarosie are avantajul că este mai putin succeptibii la interferente cu lumina ambientală [15] Din punct de vedere constructiv senzorul optic este alcătuit dintr-un emițător fotoelectric (TX) și un receptor fototelectric (RX). Emițătorul poate fi constituit dintr-un LED, iar receptorul poate fi un fototranzistor cu siiciu sau o fotodiodă cu siiciu 17 Sistem de comandă cu microcontroler a unui robot mobi / Stuctura de comanda ae roboților Emiatorul și receptorul pot fi instalate intr-o incintă separată în cazul senzorilor cu fascicol luminos, sau pot fi instalați într-o incintă comună în cazul senzorilor retroreflexivi sau de difuzie Datorită nivelului mic de semna pe care îl poate furniza fototranzistorul sau fotodioda din blocul de recepție se poate utiliza un preamplificator de semnal ca in figura 15, Sensibiitatea senzorului IR este ajustată cu ajutorul potențiometrului Potențiometrul este ajustabil în ambele direcții. Initial ajustăm potentiometrul în sensul acelor de ceasornic, astfel încât LED-ul indicator să se apridă. Odată ce acest stadiu este atins, rotți potentiometrul suficient de mult în sensul invers acelor de ceasomic pentru a opri LED-ul indicator. În acest moment, sensibilitatea receptorului este maximă. Astfel, acesta va avea maximum de sensibilitate la distanța din acel punct. Dacă dorim ca sensibiitatea receptorului să fie minima, atunci | rotim potentiometrul în sensul invers acelor de ceasornic față de acest punct și ne orim cand LED-ul indicator se va aprinde. Mai mult, dacă orientarea LED-ului TX cât si a LED-ului RX este paralelă unul față de celălat, astfel încât ambele să fie îndreptate către exterior, atunci sensibiitatea lor este la nivelul maxim. În cazul în care sunt mutate departe unul de altul, astfel încât acestea sunt înclinate reciproc, atunci sensibilitatea lor scade. Ajustarea sensibiltăți senzorilor este limitată de mediul ambiant. Pentru un anumit mediu, odată senzorii ajustați, ei vor lucra perfect atâta timp cat condițile de iluminare IR din acea regiune rămân constante. Fig. 15 Diagramă schematică a senzorului IR De exemplu, dacă potentiometrul este ajustat în interiorul unei camere / clădiri pentru sensibiitate maximă si apoi scos direct la lumina soarelui, va fi nevoie de 1 Sistem de comanda cu microcontroler a unui robot mobil/ Structura de comanda ale oboțior reajustare, deoarece razele soarelui contin, de asemenea, frecvențe intraroșu (IR), acjjonând astfel ca o sursă IR. Acest fapt deranjează capacitatea de detectare a receptorul. Prin urmare, trebuie să fie reajustat pentru a lucra perfect în noile condi alts categorie de senzori optici IR sunt senzorii de Inie. Acestia sunt capabili să detecteze o linie de culoare neagră, datorită faptului ca radiația intraroșie furnizată de emifator este absorbită aproape în totalitate de suprafața neagră, iar receptorul rămâne blocat ca în figura 16. on ¥ receptor \\ \ aproape in totalitate de supratata supratata neagra Fig. 16 Semnal IR absorbit de obstacol Senzorii optici de linie pot detecta și o linie de culoare albă „datorită faptului că radiația infrarogie fumizată de emițător este reflectată aproape în totalitate de suprafața albă „provocând deschiderea receptorului ca în figura 17. radiata intrarosie este rellectata de / / suprateta, ajungand la receptor a suprateta aba Fig. 17 Semnal IR reflactat de obstacol 19 Sistem de comanda cu microcontroler a unui robot mobil / Structura mecanică a unul robot mobil 3. STRUCTURA MECANICĂ A UNUI ROBOT MOBIL 3.4 Transmisia prin curele Transmisile prin curele fac parte din categoria transmisilor prin ficțiune și servesc a transmiterea mișcării de rotație și a momentului de torsiune de la arborele condus la cel conducător, Intr-un anumit raport și la o anumită distanță, prin intermediul uneia sau mai multor curele, [1] Datorită . specificului constructiv. în comparație cu transmisile prin roți cu friciune cauză forța de întindere a curelei necesare pentru transmiterea unui anumit moment, va fi 1 3 2 mai mică decât forta de apăsare reciprocă în Fie. 18 Transmisie prin curele cazul transmisiei cu roți de ficțiune. O transmisie prin curele se compune din rotile de curea – conducătoare 1 și condusa2 – elementul de legătură (cureaua) 3 (figura 18), sistemul de întindere și apărători de protecție Forța necesară de apăsare a curelei pe roțile de curea se realizează la montaj, prin întinderea(deformarea elastică) cureiei Acest lucru duce la simplificarea constructie lagărelor de susținere și reducerea uzurii pe suprafețele de contact Utiilarea largă a transmisiei prin curele deriva din urmatoarele avantaje: -. construcție simplă; – . se poate transmite o gama larga de puteri (de la 0,08 kw până la 2000 kw): posibiitatea transmiterii mișcării până la o distanță de până la 12 m: mișcarea se poate transmite de la o roată motoare la mai multe roți conduse; este o transmisie silentioasa ; – . consttuie elementul elastic dintr-un lant cinematic și contribuie la preluarea sarcinilor socurilor i vibraților (la șocuri sau suprasarcini, cureaua alunecă pe roata de curea) = funcționează a turații mari: = uzură redusă a elementelor – întreținere ușoară 2 Sistem de comandă cu microcontroler a unul robot mobil/ Stuctura mecanică a unui robot abil – posibilitatea transmiterii mișcării de rotație între arbori concurenți sau cu poziții oarecare în spațiu. Printre dezavantaje pot fi enumerate: ~ din cauza alunecărilor.raportul de transmitere nu este riguros constant; = gabarit mai mare decât a alte transmi = necesitatea prevederii unor dispozitive de întindere a curelei În cazul transmisilor prin curele,curelele late sunt utiizate la puteri N s1200 kwla viteze v s 30 mis și distanța între axe a s 12 m și raport de transmitere i s 6.Curelele trapezoidale se utilizează la puteri N s 1200 kw, v < 40 ms și i s 10. In Cazul că trebuie menținut un raport de transmitere strict constant, se utlizeaza curele late dințate Aceste curele au o capacitate mare de tracțiune, funcționare silențioasă și mențin raportul de transmitere constant Se pot utiliza la transmiterea de puteri N < 1800 kw cu viteze v = 25+45 mis și i = 1-8, Sunt utiizate în construcția de automobile, mașini unelte, mecanică finăetc, Transmisii prin curele rotunde sunt utiizate doar ca transmisii cinematice. 3.1.4 Clasificare Putem clasifica curele astet 1. După forma secțiuni: 2 a) Constanta = lată (figura 19 a) -patrată; - hexagonală; - rotunda (figura 19 c); + trapezoidala (figura 19 b). b) Varabiă =. profilată (figura 19 4) | | 3. După material și | - piele: ian Fig. 19 Tipuri de curele dupa forma secțiunii - textile; - materiale plastice; - fibre sintetice; a Sistem de comanda cu microcontroler a unui robot mobil / Structura mecanică a unui robot mebii = ofel ar. 4. După felul transmisiei a. axe: > paralele (figura20 a); = neparalele (figura 20 b). b. ramurile: = neincrucigate (figura 20 a); a n – incrucigate (figura 20 b), Fig. 20 Tipuri de curele după e. întindere: felul transmisiei – cu role de întindere; – cu deplasarea roții conducătoare. d. numărul roților conduse: una (figura 20 a); mai multe. e. raport de transmitere: – . aproximativ constant; – . variabil discontinuu prin trepte de Fig.21 Tipuri de curele trenamiel(Roura 21); după raportul transmisiei constant 3.1.2 Materiale și tehnologii de execuție Materialul folosit la confecționarea curelelor de transmisie trebuie să îndeplinească urmatoarele condiții să prezinte rezistență suficientă la uzură, la tracțiune si presiune de contact; să aibă un coeficient de frecare cât mai mare să aibă rezistență ridicată la flexiuni repetate; să nu prezinte urmări ale fenomenelor de îmbătrânire, pentru o perioadă de funcționare impusă: Materialele utiizate la confecționarea curelelor sunt: piele bovine- primele curele au fost confecționate din piele; pielea îndeplinește majoritatea condifilor cerute curelelor, dar este scumpă și insuficientă la actuala dezvoltare a tehnicii; din piele se pot confectiona curelele: 2 Sistem de comandă cu microcontroler a unui robot mobi / Stuctura mecanică a unul robot mobi o. – patrate ~snur, o. – pe muchii o. – late simple sau duble; Lipirea panglicilor pentru confecționarea curelelor duble se face pe fețele exterioare pentru ca suprafața de lucru să aibă coeficientul de frecare cel mai mare, – bumbac – se folosește sub forma de șnur, pambiici fesute sau cusute, pentru transmisii de putere mică, + benzi metalice sau din otel arc – au rezistență mecanică foarte bună dar flexibilitate limitată; funcționarea lor este zgomotoasă. + cauciue ~ este materialul cel mai folosit și care îndeplinește în bune condiții cerințele pentru a fi utiizate la confecționarea curelelor de transmisi curelele de cauciuc. sunt armate cu insertie textila, fire sintetice sau metalice pentru asigurarea rezistenței sporită. (figura 22) Fig. 22 Curea de cauciuc armată cu fire metalice – mase plastice – utiizarea maselor plastice la fabricarea curelelor a dus la înlocuirea materialelor naturale defictare cât si apariția unor curele de forma și secțiune noi. Performanțele deosebite pe care le realizează vs125 m/s; ns600000 rotimin; Ns6000 KW a mărit posibiltatea transmisiei prin curele. Deoarece un singur material nu poate satisface toate conditile de funcționare perfectă, se impune alegere ‘mod judicios atăt a tipului de curea cat gi a materialului din care este confecționată, ținând cont de toți parametrii care influenteaza transmisia. [2] La alegerea materialelor pentru rotile de curea, trebuie să se țină cont ca materialele curelelor sunt în general cu duritate foarte scăzută. De aceea roție de curea se execută din fontă sau oțeluri tumate sau laminate, fără pretenții de duritate. De obicei se folosesc fonte cenușii, oțeluri carbon turnate sau oțeluri laminate de tip 2 în ‘Sistem de comandă cu mcrocontroler a unui robot mobi / Structura mecanieă a unui robot mobil OL 37 ~ OL 42. Acestea sunt suficiente chiar si pentru curelele metalice care sunt executate din otol arc, deci dure, deoarece uzura se dirijeaza spre spre piesa mai iefină in acest caz roata de curea. 3.4.3 Calculul transmi lor prin curele late Calculul geometrie Transmisia prin curele (figura 23) este earscterizata prin urmatoarele elemente geometrice: – Raportul de transmitere; =. Diametrele celor doua roți de cures Dt „02 = Distanța dintre axe a; – Unghiul dintre ramurile curele – Lungimea curelei L. a. Raportul de transmitere i: i= nro =the Dae 8. Fig. 23 Tranemisia prin curele În – STAS 1963-71 valoarea raportului de transmisie este limitată la ;s10. b. Diametrul rofii mică BY se alege funcție de tipul curelei, cât mai mic și respectând restiflle constructive si prescriptile standardului -STAS 6011- 73 In figura 24 sunt indicate valorile recomandate Diametrul roți mari: D2 = iD1 mm] 62 Valorile acestor diametre se rotunjesc la valoarea cea mai apropiată din standard. a Sistem de comandă cu microcontrolet a unui robot mabil/ Stuctura mecanica a unui robot mobi ©. Distanța dintre axe a rezulta in general din considerente constructive și de gabarit Prin – STAS 1163-71 valorile distanței axiale sunt limitate 07(D2+D1)sas2(D2+04)_Imm] 83 d. Unghiul dintre ramurile cureleiy este egal cu y = 2aresin (D2-01)/2a 4) unde: 01 ,02,a se masoară în mm. ofa i « iza pa she ‘obs cas fz fur zoe 189 a: D= ob ob et i Fig. 24 Valorile recomandate pentru diametrul roților e. Unghiurile de înfășurare pe roțile de curea: Bo = y pi p2 = 180+ 65 La transmisii prin curele late 90% 61 <180° 6) 1. Lungimea curelei L este dată de relatia LeLt + L2 + LB1 + LB2 fmm] 67 3.2 Lagăre Lagărele sunt organe de mașini care împreună cu fusutile arborilor sau ale osilor formează cuple cinematice de rotație sau de oscilație. [6] Cu toată varietatea domeniilor de utiizare, ale dimensiunilor și formelor pe care le pot avea ,lagarele utilizate în construcția de mașini se pot grupa după unele criterii caracteristice și anume: 1) după criteriul forțelor de frecare ce apar în timpul funcționării lagarele pot fi = cv alunecare; forțele de frecare vor fi de alunecare: 25 7S SS SSS SERRE RE REE RE RE KR RE ES Sistem de comandă cu microcontroler a unui robot mobil/ Stuctura mecanieă a unui robot mobil - cu rostegolire- forțele de frecare vor fide rostogolire; 2) dupa criteriul direcției fortelor principale care acționează în cuplele cinematice lagarele pot fi: - radale- rezultanta forțelor din cupla cinematică este perpendiculară pe axa geometrică a lagărului. ~ axiale- rezultanta forțelor din cupla cinematică a direcție cu axa geometrică a lagărului; -. radial- axiale- rezultanta forțelor din cupla cinematică acționează pe o direcție înclinată fata de axa geometrică a lagarului. aceeași Lagăre cu rostogolire (cu rulment) La aceste lagăre între fusul arborelui (osiei) și piesa de reazâm (carcasa- corpul lagărului) se interpune rulmentul (figura 25 a și b). Ca o consecință frecarea principală din lagăr va fi cea de rostogolire. apei SU Zarperi Ci ce rare lg tare — Fig. 25 Elemente caracteristice ale lagărelor cu rostogolire Principalele avantaje și dezavantaje ale lagărelor cu rostogolire față de cele cu alunecare sunt Avantaje: - prin frecare au loc pierderi mai mici, mai ales la pornire și oprire, când nu este asigurată ungerea fluidă; coeficientul de frecare și cuplul de pornire sunt foarte apropiate de cele din momentul funcționării: - este eliminată uzarea fusului, -. eliminarea consumului de materiale antifictiune deficitare; - . portanță mai mare pe unitatea de lungime a fusului; + este redus jocul radial; 26 SS SBS SBS SS SS SERS SE SR SEE ee ‘Sistem de comandă cu mcrocontroler a unui robot mobil/ Structura mecanică a unui robot mobil -. interscimbalitatea ușoară; - au un consum foarte mic de lubrifiant; - . se pot fabrica în serie mare-deci producția poate fi automatizată; - rodajul nu este necesar; Dezavantaje: - sunt mult mai sensibile la supraîncărcări și șocuri: ~ aproape brusc se produce defectarea; - . datorită inelelor care sunt dintr-o bucată apar dificultati de montaj; - rigiditate mai mare (proprietățile filmului de ulei de a amotiza gocurile sunt foarte mic); = la același diametru de fus un gabarit diametral mai mare; + zgomotul este mult mai mare; = cerințe mai severe de montaj si execuție; Randamentul rulmențior Pierderile prin frecare in lagarele cu rostogolire se datoresc: ~ frecărilr de rostogolire dintre corpurile de rulare și inelela care se adaugă frecărie suplimentare de alunecare (a rulmenți cu role conice, © frecare considerabilă de alunecare are loc între fata frontală a rolei și gulerul inelului interior) =. recărie datorate apariței mișcării giroscopice și a forțelor de inerție; = frecărie dintre colive și corpurile de rulare; -. frecarea coliviei de inelele rulmentului (mai rar) - frecarea internă a uleiului Preponderentă este frecarea dintre corpurile de rulare și colivie la sarcini mici. iar la sarcini mari, preponderentă este frecarea de pe suprafața de contact, între corpurile de rulare gi inele. Frecarea este foarte mare urata de funcționare scade simțitor atunci când uleiul este prezent, care nu trebuie să depașească axa bil asigură ungerea optima, frecarea crește cu creșterea nivelului lubrifantulu Când se alege sistemul de ungere a lubrifantului si a perioadei de ungere, se ține seama de îndeosebi de urmatorii factori: ipul si mărimea rulmentului, turața de regim, sarcina și temperatura de regim. În cataloagele de rulmenți se fac 2 Sistem de comanda cu microcontroler a unui robot mb Structura mecanică a unui robot mobil recomandari în acest sens.Se recomandă pentru calcule următoarele randamente atunci când nu se cunosc valorile indicate de producător. 3.3 Calculul motoarelor de acționare a robotului mobil Fig. 26 Reprezentarea transmisiilor robotului mobil > M= motor de acționare; > 1-2 — transmisie mele-roată melcată > 3-4 = transmisie roți dințate > 5-6 – transmisie curea lată dințată, > 7- roată motoare. Momentul (cuplul) motorului de acționare necesar punerii în mișcare a robotului mobil poate fi dedus plecând de la roata motoare câtre motorul de acționare sintetizat în figura 27. [9] Fig. 27 Reprezentarea transmisiilor robotului mobil 28 ‘Sistem de comandă cu miczocontole a unui robot mobi / Structura mecanică a unui robot mobi vy vvy vvvvvyyvyvyyvyvwvwwvy vvy vvyvvy v M, ~ cuplul arborelui motor; M, = cuplul arborelui 1: M, = cuplul arborelui 2 M, ~ cuplul arborelui roi motoare: Meek xR: Fee hy +i oo) F, — forța axială totală; F, – tera axială disponibilă: F, – fora rezistentă: R= raza roți motoare: 2.5 N- necesară puneri În mișcare a robotului mobi R= 0,035 mm; m=49k9: m — masa robotului mobil; E-=uxG; 62) G=mxg; (3) G = greutatea robotului mobil; M = masa robotului mobil; G – accelerația gravitațională; 1 coeficient de frecare la rostogolire (lagaruire cu rulmenți); f= 0,003 x 4,9 kg x 9,8 „!/,» = 0,14406 N; F,=2,5.N+ 0,144 N = 2,644 N; Me = 2,644 N x 0,035 = 0,0925 Nm; Me i, = = 0,187 – raportul de transmisie între cele doua roti ale curelei late dințate; 63) 92 – randamentul transmisiei cu curea lata dintata, 98 – randamentul lagărelor cu rostogolire (rulmenți); $0985 5 9287» 0.019 Nm: Myx; ea) ta 2 = 0567 -raportul de transmise al roțor date; ma = 0492 rendamentul transmisiei cu roi dințate; ei 5 850 – ott Nee Hig | 65 .055 — raportul de transmisie melc – roată melcată; 118% > 0.056 = 0,000864 Nm; Vom alege din catalog un motor electric de curent continuu având urmatoarele caracteristici: E Sistem de comandă cu microcontroler a unui robot mebil/ Structura mecanică a unu robot mobi Uy= 12V; ly = 2,5 A- curentul nominal; Py = 25 W- puterea nominală mn = 50 T0t/, i — turația nominală. My = 1,5 N= momentul nominal vvvyy Sistem de comanda cu miczecontoler a unui robot mob / Realizarea practeă robotulu! mobil 4. REALIZAREA PRACTICĂ A ROBOTULUI MOBIL 4 Schema bloc generală ® 8 1VNV9 H 31NNd =f v TwNvo H 31NNd [E a Ol BL arava a 01400140 Fig. 28 Schema bloc generală a Sistem de comanda cu microcontroler a unul robot mobil/ Realzarea practică a robotului mobi 4.2 Schema electronică Fig. 29 Schema electronică 4.2.1. Listă componente utilizate în schema electronică: IC1 = L7B0SC, (5V,1,5A) IC2 = ATMega 16-16 PU 103, IC4-PCB817C 11, 12, T3, T4, T5, T6, 7, T8-IR RX, (QRT-1RC, senzor refiectant IR) „| 79, 111, 113, 115 — FOP 27P06, (MOSFET, P, -60V, -27A,TO-220) T10, 112, 114, T16 = FAP 30NO6, (MOSFET, N-CH, 60V, 30A, TO-220AB-3) ] C1 – 10004F C2 – 1004F „| 2 Sistem de comandă cu microcontroler a unui bot mobil / Realzares practcă a robotul mobi C3, CA, C5, C6, C7, C8, C8, C10- 10nf 11, 612, C15 — 100nF 13, C14—18pf R1-1K0 R2, R3, RA, R5, RS, R7, RB, RB, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R20, R21 – 2200 R18, R19- 1000 R22, R24, R26, R28 — 1KO R23, R25, R27, R29 – 10KQ R30 ~2,2K0 MOTOR A”, Un = 12[V], no = 501’9%/ m), Mu 1,5 [NM]. MOTOR “B”, Uy = 12{V], no = 50(„°8/pminls My 1.5 [Nm]. 4.2.2. Dispunere pini și simboluri componente active utilizate în schema 113] Fig. 31 Dispunere pini și simbol tranzistor FAP30NO6 Fig. 32 Dispunere pini regulator de tensiune L7805CV 33 Sistem de comands cu microcontrler a unui rabat mobi / Realizarea practica a robotul mobil PCaiT Internal conection diagram om Tank mark (1) Fig. 33 Dispunere pini și simbol optocuplor PC817C 4.3 Functionarea temul de comandă cu microcontroler al unui robot mobil are în componența sa ‘mai multe blocuri funcționale enumerate mai jos: blocul de alimentare; blocul microcontroler și driver punte H; – bloc senzori optici IR; + bloc punte H si motoare ¢.c.; – interfața serială de programare. 43.4 Blocul de alimentare Acesta este format dintr-un acumulator cu tensiunea de 12 V și o capacitate de 7,2 Ah, un întrerupător basculant ON/OFF de tipul TPS 101 At având o sarcină admisibilă pe contact de 10A / 220V, o rezistență maxima pe contact de 50 mQ și o durabilitate electrică de 20000 cicluri, o siguranță fuzibilă calibrată să întrerupă circuitul la depășirea pragului de 10A si un regulator de tensiune de tipul L7B05CV reprezentate în figura 34. Font ay |! Fig. 34 Blocul de alimentare za Sistem de comanda cu microcontoler a unui robot mobll/ Realzarea practică a robotuui mobi Acumulatorul oferă o autonomie mare de funcționare a robotului mobil, find conectat cu polul negativ (-) la masa comună a etajelor electronice, iar polul pozitiv (+) este conectat la Intrerupatorul basculant K1. Prin intermediul acestuia se conectează / deconectează tensiunea pozitivă (+) a blocurilor electronice și deci implicit se face comanda de pornire / oprire a robotului mobil Sursa de alimentare este concepută pentru a fumiza la ieșire două bare principale de tensiune: * 0 bară de tensiune nestabiizată de 12V necesară alimentării etajelor de forță a robotului mobil; * 0 bară de tensiune stabilizată de SV cu ajutorul regulatorului de tensiune de tipul L7805CV care oferă un curent maxim de 1000mA necesară alimentării microcontrolerul ATMega 16 și a modulului de senzori optici formată din 8 senzori IR cu ieșire de semnal digital de tipul ORT-1RC fabricati de firma Polulu (aceste două blocuri funcționale absorb un curent maxim de 500mA), Capsula regulatorului de tensiune L7805CV este montată pe un dispozitiv metalic numit radiator din aluminiu cu 6 aripioare dispuse pe o lungime totală de 25mm care ajunge la o rezistență termică Ria g-anp- de aproximativ 20°CW. Prezența tensiunii este monitorizată optic cu ajutorul unui led de culoare roșie care este conectat cu anodul la bara de 12V și catodul prin intermediul unei rezistențe de limitare a curentului la masa montajului electronic (ledul absoarbe un curent maxim de 20 mA) 4.3.2 Blocul microcontroler gi driver puntea H Blocul microcontroler și driver puntea H este format din IC2 de tipul ATMega 16-16PU fabricat de firma ATMEL și de optocuploarele IC3, IC4 de tipul PC817 fabricate de firma Sharp, reprezentate în figura 35. Microcontrolerul ICteste alimentat Ia pinul 10 (VCC) și pinul30 (AVCC) din bara de 5V cu tensiune pozitivă, iar la pinul 11 (GND) si pinul 31 (AGND) din bara de masă comună cu tensiune negativă AVCC este pin de alimentare pentru Port-ul A și Convertorul A/D, care trebuie conectat la VCC chiar dacă ADC nu este folosit (daca ADC este folosit, ar trebui conectat la VCC printr-un fru trece — jos),iar AGND este pinul de alimentare cu tensiune negativă pentru Port-ul A și Convertorul A/D. 35 ‘Sistem de comanda cu miezocontole a unui robot mobll/ Realizares pracscă a robotulu mobil Fig. 35 Bloc microcontroler și driver punte H Circuitul de reset format din microcontactul $1 care are patru pini și două contacte NO (normal deschis) acționate de un buton de 4 mm cu revenire și condensatorul de decuplare C2 este conectat la pinul 9 (RESET) al microcontrolerului. În momentul în care butonul microcontrolerului este apăsat complet vom avea un nivel scăzut la pinul 9, microcontoler mai mare ca durată decât o valoare prestabiită, care va genera o intializare. Osciatorul extem al microcontrolerului este alcătuit dintr-un circuit amplificator inversor format din doi condensatori ceramici C13 și C14 care au o armaturd legată la masă și câte una legată la pinul 12 (XTAL1) respectiv 13(XTAL2) și cristalul de cuarț XT care se află în interiorul unei carcase metalice cu doi pini pe care este înscrisă frecvența la care cristalul oscilează (16 MHz) montat în paralel cu pinii 12 gi 13 al IC2. Funcția de oscilator în acest circuit este aceea de a oferi un semnal periodic de ceas stabil și precis care determină viteza de execuție a instrucțiunilor. Prin alegerea valorilor condensatoarelor C13=15pFsi C14=15pF sia cristalului de cuarț XT = 16 MHz se determină frecvența de oscilație a semnalului de ceas a microcontrolerului (programele sau instructiunile program se execută la frecvența generată de circuitul oscilator, în cazul de față la frecvența de 16 MHz), Din cele 32 de linii de intrare / ieșire pe 8 biti organizate pe 4 porturi (port A, port B, port C, port D) am utiizat portul A care cuprinde pinii de la 33 la 40, ca port de intrare. Fiecare pin din portul A are câte o rezistență trage-sus (pull-up) care poate fi activată sau dezactivată. La acest port am conectat ieșiile cu semnal digital a celor 8 senzori de tipul QRT-1RC fabricati de firma Polulu care au ca praguri de tensiune 3 Sistem de comanda cu microcontoler a unui robot mobi / Realizarea practcă a robotuui mobi cuprinse între OV care corespunde nivelului logic “0” și SV care corespunde nivelului logic „1”. Datorită faptului că în cazul de față pini sunt contiguraț ca intrare, atunci și rezistenjele de trage-sus (pull-up) să fie activate, acestea conectându-se automat la tensiunea de alimentare a microcontrolerului (5 V în acest caz), deci intrările vor 1 logic. Microcontrolerul ATMega 16 are patru pini (pinul 4 AINAIOCO de pe portul D, pinul 18 OC18, pinul 19 OC1A și pinul 21 OC2, acestea din urmă aparținând portului ID), care pot f configurati ca ieșire de semnal PWM (Pulse Width Modulation) Datorită faptului că aplicația de față necesită doua semnale PWM (având 2 motoare de acționare, desi câte un semnal PWM pentru comanda fiecărui circuit driver motor). am ales pinul 4 AIN1/0CO și pinul 21 OC2. Cu ajtonă semnalului PWM se controlează tensiunea de alimentare a celor două matoare (Motor A și Motor B) în domeniul 0 V (corespondent unui factor de umplere de 0% ai semnalului PWM) 10,31 V (corespondent unui factor de umplere de 86% al semnalului PWM) și implicit a turatiei motoarelor, vitezei de deplasare a robotuhii mobil si mu în ultimul rând a direcției de deplasare a acestuia. Viteza de deplasare a robotului mobil a fost limitată din program la o valoare de 86% (ieșirea semnalului PIM find pe 8 biti rezulta că 2°=256, deci avem posibiltatea de a stabili un număr de 258 de valori ale vitezei de deplasare a robotului mobil, în program stabilind valoare vitezei de deplasare ca find „220”, această valoare corespunde unui factor de umplere de 86% și implicit a unei viteze de deplasare de 86%). Interfața dintre microcontroler IC3 și modulele punte H se face prin intermediul unor dispozitve specializate numite optocuplor IC2 și IC3 de tipul PC 817 C care au în structura sa câte © diodă fotoelectrică dispusă cu anodul la pinul 1 si catodul la pinul 2 cu funcția de a emite un semnal luminos cu frecvența circuitului de polarizare și un fototranzistor dispus cu emițătorul la pinul 3 și colectorul la pinul 4 care este saturat în prezența semnalului luminos, în circuitul de bază și blocat în lipsa semnalului luminos în circuitul de bază Acest etaj electronic functioniaza astfel > a apariția unui semnal electric cu nivelul logic “1” și factor de umplere variabil între valorile 1% si 86% provenit din generatorul intern de semnal al CI 1 PWM / A, respectiv pinul 4 AIN1/OCO si PWM /B pinul 21 OC2 adică a unei tensiuni pozitive cu valoare maximă de 4,3V (factor de umplere maxim de 86%) gi a unui curent maxim de 20 mA (fotodioda suportă un curent maxim 37 avea sti Sistem de comand cu microcontrler a unui robot mobi / Realizarea practică a robotulul mobil 1ș=20 mA) limitat de rezistentele R20, pentru IC3 și R21 pentru ICA fiecare având valoarea de 2200 inserate pe circuitul de polarizare dioda fotoelectrică la pinul 1 ((C2JC3), pinul 2 (IC2,1C3) find legat la masă, dioda fotoelectică te polarizată direct, aceasta emite un semnal luminos proportional cu nivelul tensiunii și de curent care se va regăsi în baza fototranzistorului provocând trecerea acestuia în regim de saturație, Ucs=0 V, pinul 3 (IC2,IC3) find conectat la masă iara pinul 4 (C2,1C3) vom avea o diferență de potential față de masă de BV > la aparitia ună semnal electric cu nivelul logic “0″ si factor de umplere variabil între valori $96 si 86% provenit din generatorul intern de semnal PWM de la Cl 1, pină AINT/OCO și 21 OC2 adică a unei tensiuni de O V, dioda fotoelecizacă va fi blccată, nu va emite semnal luminos, fototranzistorul nu va primi semnal tuminos în bază, acesta find blocat Uce=10,9 V tensiune provenită din divizorul de tensiune format din rezistențele R22=10KQ; R23= 1KQ medullpunte H circuit A corespondent optocuploruiui IC2 și divizorului de tensiune format din rezistențele R26=10KQ; R27=1KO modul punte H circuit B corespondent optocuplorului IC3 și în final pinul 3 (IC2,1C3) find conectat la masă. iar fa pinul 4 (IC2,IC3) vom avea o diferență de potențial fata de masă cu valoarea de 10.9 V. 4.3.3 Bloc senzori optici IR Blocul de senzori optici IR este un bloc functional format din 8 module de senzori fotoelectici în infraroșu de tipul QRT-1RC fabricate de fima Pololu și prezentate în figura 38. Fig. 36 Bloc senzori optici IR 38 ‘Sistem de comandă cu mensesntroler a unui robot mobil/ Reaăzarea practică a robotului mobil Aceste module de senzori sunt amplasate pe o placă test în plan orizontal pe o lungime de 80 mm cu distanța dintre senzori de 3 mm cu fafa spre calea de rulare și la o distanță față de aceasta de 6 mm (datele de catalog limitează distanța modul senzor = cale de rulare ca find de maxim 8 mm), situat in fata robotului mobil la o distanță fata de calea de rulare de 6 mm, distanța fiind ajustată cu ajutorul a doi ‘supor{i metalici de forma cilindrica având o grosime de 8 mm și o lungime de 45 mm fietați la ambele capete cu filet metric de 3mm si piuițe de rela). Acești suport sunt atașați la un capăt de o placă metalică aparținând șasiului robotului mobil Calea de rulare este concepută dintr-o bandă neagră având lățimea de 60 mm dispusă pe un fundal de culoare albă. Senzori optici sunt capabili să furnizeze ieșire semnale digitale cu valoarea de OV aparținând nivelului logic „0” atunci când sunt situați deasupra fondului alb (semnalul IR furnizat de TX IR este reflectat in totalitate de culoarea albă și reflectat către senzorului RX IR acesta lucrând în regim de saturație Uce=0V). Senzorii optici sunt capabil să furnizeze la ieșire semnale digitale cu valoarea de 5 V apartinând nivelului logic “1” atunci când aceștia sunt situați cu fafa și în plan paralel cu banda de culoare neagră (semnalul IR furnizat de TX IR nu mai este reflectat către senzorul RX IR banda de culoare neagră absoarbe toată lumina emisă în IR, acesta din urmă find blocat Uc,=5V. 4.3.4 Bloc punte H și motoare de curent continuu Blocul punte H este conceput din două punți H în engleză (full bridge) câte una pentru fiecare motor prezentate în figura 37. Puntile H sunt identice având în structura sa aceleași componente electronice configurate după aceeași schemă electronica realizate în oglindă pe o placă test Fiecare punte H este de fapt un convertor de C.C. – C.C.comandat cu semnal PWM formată din două brațe de punte A și B, fiecare braț find constituit din câte două tranzistoare MOS FET de putere legate în serie, fiecare tranzistor fiind dotat din fabrică cu câte o diodă de descărcare (supresoare) în antiparalel cu circuitul sursă — arenă. [3] Tranzistoarele T9, T11, T13, T15 de tipul FOP 27P06 (MOSFET P channel), complementare cu tranzistoarele T10, T12, T14, T16 de tipul FQP 30N06 (MOSFET N channel) sunt fabricate de firma Fairchild Semiconductor, find dedicate pentru 3 Sistem de comands cu microcontroler a unu robot mobil / Reizarea practicé a ootuui mobi aplicații cu motoare de curent continuu în regim de comutație, comutând curenți de 27 A la o tensiuni sursă — drenă de aproximativ 60V. Fig. 37 Bloc punte H si motoare c.c. Cele patru tranzistoare care formează o punte H sunt amlasate pe un dispozitiv metale numit radiator de aluminiu cu 8 aripioare dispuse pe o lungime de 75 mm care ajunge la o rezistență termică Rin xamp- de aproximativ 5°CW, tranzistoarele T8, T10, T13, T14 find izolate electric față de radiator cu ajutorul unor izolatori de silicon pentru capsula TO-220. La toți tranzistorii am amlasat între capsulă și raditorul de aluminiu câte o peliculă de pastă termoconductoare care mărește considerabil tansferul termic. Modul de funcționare a punții H este urmatorul: > Tranzistoarele T11, T12 si T15, T16 sunt polarizate în grilă cu ajutorul divizoarelor rezistive formate din grupul R24, R25 respectiv grupul R28, R29 cu o tensiune de 10,9V (Vas=10,9 V), blocând tranzistoarele MOSFET canal P (T11, T15) și saturând tranzistoarele MOSFET canal N (112, T16), motoarele A și B având la unul din cele două capete masa cireuitului electronic. 7] >. În cazul în care microcontrolerul generează semnalele PWM /A și PWM /B Cu nivel logic “0”, pe circuitul de grilă a tranzistoarelor T9, T10, T13, T14, datorită divizoarelor rezistive formate din grupul R22, R23 respectiv grupul R26, R27 vom regăsi o tensiune de 10,9 V raportată fata de masa (Ves = + «0 Sistem de comand cu microcontoler a unui robot mobi / Realzarea practica a robotulul mobil 10,8 V), blecând tranzistoarele MOSFET canal P (T6, T13) si saturand tranzistoarele MOSFET canal N (T10, T14), motoarele A si B având la polul opus fot masa circuitului electronic, fapt ce duce la concluzia că | motoarele nu funcționează. În cazu în care microcontrolerul generează semnale PWM /A și PWM /B | cu nivel logic “1” și un factor de umplere de 86%, pe circuitul de grilă a tranzistoarelor T9, T10, T13, T14 vom regăsi masa circuitului electronic, (Ves = = 10,8 V) blocând tranzistoarele MOSFET canal N (T10, T14) si saturdnd tranzistoarele MOSFET canal P (T6, 713), motoarele A și B având la polul opus tensiunea pozitiva de 10,9 V, motoarele funcționează cu trața maxima. > în nație de valoarea factorului de umplere a celor două semnale PWM /A și PMI IB (de la 1% până la 86 %) condiționate de pozitia robotului mobil în Smpul rulării (senzor IR pe banda de culoare albă sau senzori IR pe banda de culoare neagră) și de instrucțiunile de programare a mierecentrolerului vom putea comanda cele două motoare de curent continuu cu o tensiune electrică generată de un acumulator (12 V /7.2 Ah) care poate varia în plaja (de la 1 V până la aproximativ 10,9 V) prin ‘aceasta putându-se modifica viteza și direcția de deplasare a robotului mobi A 5 Interfața serială de programare Interfata serală este cel mai facil mod de a comunica cu microcontrolerul pentru citirea de date și trimiterea de comenzi și este ilustrată în figura 38. Fig. 38 Interfata serială de programare a Sistem de comandă cu miezecontoler a unui robot mobi / Realizarea practca a robotulul mobil Linile de date D, si D-ale portului USB (Universal Serial Buss) se conectează la USB prin rezistentele de limitare a curentului R19 si R20 care au valoarea de 1000. Limitarea tensiunii iilor de date se face cu ajutorul celor două diode zener 3V3, lar semnalizarea prezenței dispozitivului pe magistrală se face cu ajutorul rezistenței R20. Linia D, (pin 3 USB) se conectează la pinul16 (INTO) port D microcontroler , linia D_ (pin 2 USB) se conectează la pinul 17 (INTA) port D microcontroler, prin intermediul cărora se face comunicarea cu microcontrolerul, în vederea citirii sau scrieri programul de execuție, pinul 4 USB find conectat la masă iar pinul 5 USB find conectat la bara de +5Vcc a sursei de alimentare. Pentru programarea clasică a controlerului se utiizează un program dedicat sau prin intermediul interfatei ICSP (In Circuit Serial Programing), de pe placa de bază, acesta având posibilitatea de comunicare cu toate microcontroalerele din familia AVR de ta Atmega conectat la pinii: MOSI (Master Output, Slave Input), MISO (Master input. Slave Output), SCK (Serial Clock) și RESET. O variantă foarte comodă și iefină este aceea de a scrie un mic program (boctioader) care se plasează într-o zonă specială a memoriei microcontrolerului, la sfarșitul lash, permițând datelor de cod să fie transmise printr-un cablu serial și scrise în microcontroler. Acest boctloader trebuie scris în memoria flash o singură dată, prin intermediul unui programator conventional, acesta având o dimensiune mică cea mai mare parte a memorie flash ramâne disponibilă pentru aplicație. Bootioadenu este practic un sistem minimal de operare cu rolul de încarcare. 44 Implementarea software Pentru scrierea programului, compilarea programului și transferul acestuia din cod hexazecimal în memoria ROM (memoria de program) a microcontrolerulul am utiizat placa de dezvoltare STK-500 și mediul de dezvotare pentru programare de la firma Atmel, versiunea Atmel Studio 5.1 După ce am instalat în calculatorul personal AVR Studio 5-1 și m-am famiiarizat și documentat cu ajutorul manualului de utiizare am urmat urmatorii pași: 4 pasul 1 – se deschide AVR Studio 5.1 gi se dă click pe „New Project” (figura 39); a Sistem de comanda cu miczocontoler a unui robot mobil / Realizarea practcă a robotuui mobil Fig. 30 Proiect nou * pasul 2- se denumește proiectul și se alege un director în care se va ‘salva proiectul și se dă click pe “OK” (figura 40); Fig. 40 Alegere director a Eee a eS eS E ee. Sistem de comanda cu mieroconroler a unui robot mobil/ Realzarea practică @robotului mobil * pasul 3 – in meniul “Device Selection” selectăm -ATmega16” și se dă click pe OK” (figura 41); Fig. 41 Selectarea tipului de microcontroler ‘® pasul 4- se scrie programul de baza cu extensia “e” (figura 42); Fig. 42 Editarea programului. a ‘Sistem de comanda cu microcontroler a unui robot mobi / Realizarea practică a robatulu mobil + pasul5- meniul “Build” alegem opțiunea “Build Solution” (figura 43); Fig 43 Construirea programului si crearea codului hexazecimal * pasul 6 – se conectează placa de dezvoltare STK500 prin intermediul unui cablu serial la COM 6 calculator și se alimentează placa la o “sursă de alimentare de 12 Vcc (figura 44); Fig. 44 Placa de dezvoltare STK500 as sitem de comandă cu microcontroler a unui robot mobi / Reakzarea precscă a robotii mai e pasul 7- in meniu selectăm “Tools / Add STK 500” (figura 46); Fig. 45 Selectarea plăci de dezvoltare și a portului de comunicare tabilesc valorile de tensiune și 4 pasul 8 – din meniul “Bord Setings” de frecvență ale microcontrolerului ATmega 16 (figura 46); de frecvență ale microcontrolerului 46 Fig. 46 Setarea pragurilor tensiune și Sistem de comandă cu mierocontroler a unui robot moșii / Realizarea practcă a robotuui mobil « pasul 9- din meniul “Memories se dă click pe Open” și se deschide codul hexazecimal, (codul mașină) (figura 47); Fig. 47 Deschiderea codului hexazecimal și încărcarea acestuia în vederea programării microcontrolerului 4 pasul 10 – din meniul ‘Memories’se dă click pe “Program” (figura 48). Fig. 48 Transferul codului hexazecimal în memoria ROM a microcontrolerului a Sistem de camu mirecontroler a unui robot mobi/ Realzarea practică a robotuui mobi! Program implementat în memoria microcontrolerului ATmega 16 este urmator r AVRGCCS c Created 23.06.2015 19:51:16 = Author. Grosu Nicolae s Fectude
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Cristech73@yahoo.com 474 Luc Diploma Text (ID: 700162)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.