Proiectarea unui sistem informatic autonom mobil cu capabilități de recunoaștere a traseului Absolvent Dincă Marius Cătălin Coordonator Prof. dr…. [613243]

Universitatea Politehnică București Facultatea de Automatică și Calculatoare
Departamentul de Automatică și Ingineria Sistemelor

LUCRARE DE LICENȚĂ

Proiectarea unui sistem informatic autonom mobil
cu capabilități de recunoaștere a traseului

Absolvent: [anonimizat] 2019

1 CUPRINS
CUPRINS

INTRODUCERE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 3
CAPITOLUL 1: SISTEMUL INFORMATIC ………………………….. ………………………….. ….. 4
1.1 Ce este un sistem informatic mobil? ………………………….. ………………………….. .. 4
1.2 Ce este robotica? ………………………….. ………………………….. …………………………. 5
1.3 Primele aplicații robotice ………………………….. ………………………….. ……………….. 5
1.4 Robot process automation ………………………….. ………………………….. …………….. 6
1.5 Clasificarea roboților ………………………….. ………………………….. …………………….. 7
CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC ………………………….. ……. 9
2.1 Structura unui sistem informatic ………………………….. ………………………….. ………. 9
2.2 Prezentarea generală a sistemului mecanic ………………………….. ………………… 11
2.3 Prezentarea generală a sistemului de acționare ………………………….. …………… 12
2.3.1 Sisteme de acționare electrice ………………………….. ………………………….. ….. 14
2.3.2 Sisteme de acționare hidraulice ………………………….. ………………………….. … 16
2.3.3 Sisteme de acționare pneumatice ………………………….. ………………………….. 16
2.4 Prezentarea generală a sistemului senzorial ………………………….. ………………… 17
2.5 Prezentarea generală a sistemului de comandă ………………………….. ……………. 20
2.5.1 Memoria ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 20
2.5.2 Unitatea centrală de procesare (CPU) ………………………….. …………………… 22
2.5.3 Oscilatorul ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 26
2.5.4 Circuitul de reinițializare ………………………….. ………………………….. …………… 27
2.5.5 Circuitul de monitorizare ………………………….. ………………………….. ………….. 27
2.5.6 Controller -ul de întreruperi ………………………….. ………………………….. ……….. 27
2.5.7 Alte periferice din arhitectura microcontroller -ului ………………………….. …….. 28
CAPITOLUL 3: SISTEMUL INFORMATIC PREZENTAT ………………………….. …………. 28
3.1 Obiectivele sistemului informatic ………………………….. ………………………….. ……. 28
3.2 Schema electrică generală a sistemului informatic ………………………….. ……….. 30
CAPITOLUL 4: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI HARDWA RE ………………………….. …… 31
4.1 Sistemul mecanic ………………………….. ………………………….. ……………………….. 31

2 CUPRINS
4.2 Sistemul de acționare ………………………….. ………………………….. …………………… 32
4.3 Sistemul senzorial ………………………….. ………………………….. ……………………….. 34
4.4 Sistemul decizional, comandă și control ………………………….. ……………………… 36
4.4.1 Driverul L298N ………………………….. ………………………….. ……………………… 37
4.4.2 Arduino UNO ………………………….. ………………………….. ……………………….. 39
CAPITOLUL 5: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI SOFTWARE ………………………….. …… 42
5.1 Mediul de dezvoltare Arduino ………………………….. ………………………….. ………… 43
5.2 Librăria QTRSensors.h ………………………….. ………………………….. ………………… 45
5.3 Algoritmul implementat ………………………….. ………………………….. …………………. 46
CONCLUZII ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………. 52
ANEXE ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 53
Diagrama pinilor Arduino ………………………….. ………………………….. ………………………. 53
Schema electrică a plăcuței Arduino UNO ………………………….. ………………………….. . 54
Cod sursă arduino ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 55
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 63

3 INTRODUCERE

INTRODUCERE

Încă din antichitate omul a încercat pe cât posibil să își crească câ t mai mult
nivelul de trai. În acest sens, el și -a contruit de -a lungul timpului diferite unelte ce l -au
ajutat să își simplifice sau chiar înlocuiască munca fizică. Un aport important î n acest
proces l -a avut robotul, descris astă zi ca, citez, “mecanism automat care poate executa,
după un program stabilit, operații complicate, asemănă toare cu cele realizate de om ”.
Cuvântul “robot ” este de origine slavă și se traduce prin “ muncă ”. A fost folosit
pentru prima dată de scenaristul ceh Karel Capek î ntr-o piesă de teatru numită
“Rossum’s Universal Robots ”. Tema acestei piese de teatru a fost despre
dezumanizarea persoanei într -o civilizație bazată din ce în ce mai mult pe tehnologie.
Pentru realizarea de sisteme autonome (care să găsească singure soluții) este
necesară legătur a a mai multor discipl ine de robotică (termen utilizat prima dată de
scriitorul și omul de știință american de origine rusă, Isaac Asimov, într -o scurtă
povestioară numită “ Runaround ” în anul 1942 ). În general, roboții sunt realizați mai
ales prin combinația disciplinelor mecani că, electrotehnică și informatică , care a dus la
apariția mecatronicii, o disciplină integrata în robotică .
Această lucrare prezintă modul de proiectare si realizare a unui sistem autonom
echipat cu o placă de bază Arduino UNO, senzori de reflexie QTR -8RC și alte
componente, capabil să găsească cel mai scurt drum pe ntru un traseu dat.

4 CAPITOLUL 1: SISTEMUL INFORMATIC
CAPITOLUL 1: SISTEMUL INFORMATIC

1.1 Ce este un sistem informatic mobil ?

Putem definii ca fiind un sistem informatic mobil autonom sau robot orice
operator artificial, fie el mecanic sau virtual, capabil să execute automat o sarcină dată,
fără intervenție umană. Acesta este de fapt un sistem compus din mai multe elemente
de mecanică, ca: actuator, sistem de mișcare și direcționare , sistem de c alcul și
decizie, senzori etc. Aspectul robotului și posibilitățile sale de mișcare în plan este
reprezentat de sistemul de direcție și mișcare . Mobilitatea robotului este data de acest
sistem. Senzorii sunt folosiți pentru acumularea de informații din med iul extern și intern ,
iar blocul de calcul și decizie este folosit pentru prelucrarea datelor furnizate de senzori
și luarea deciziilor bazate pe acestea.
Isaac Asimov, scriitor american de science fiction și profesor la Universitatea din
Boston, specifica în opera sa, “ Runaround ” , publicată în octombrie 1942, trei legi pe
care u n robot trebuie să le respecte. O interpretare a acestora este:
• Un robo t, prin acțiunile sau inacțiunile sale, nu poate afecta existența
umană sau să îi permită acesteia să meargă către distrugere;
• Un robot trebuie să îndeplinească sarcinile asignate de către un om, atâta
timp cât acestea nu intră în conflict cu prima lege;
• Un robot trebuie să își conserve propria existență, atâta timp cât acesta nu
intră în conflict cu prima lege și a doua lege;
Dea lungul timpului au fost oferite mai multe definiții ale robotului, de către
diferite institute. În standardul ISO 8373 robotul este definit ca, citez, ” manipulator
universal, reprogramabil, având control automat și trei sau mai mu lte axe ”.
Institutul de robotică din SUA definesc la rândul lor robotul ca, citez, ” un
manipulator universal, reprogramabil, conceput să deplaseze materiale, componente,
scule sau sisteme specializate, prin diferite mișcări programate, pentru a îndeplini
diferite sarcini ”.
O abordare diferită asupra robotului a avut -o publicația americană Merriam –
Webster, care definesc robotul ca, citez, ” o mașină care arată ca și un om, și care
realizeaza sarcini complexe (cum ar fi mersul sau vorbirea) caracteristice omului ”.
În prez ent , t ermenul de “robot ” descrie un domeniu destul de vast, fapt ce a dus
la categorisirea acestora în funcție de sarcinile î ndeplinite.

5 CAPITOLUL 1: SISTEMUL INFORMATIC
De asemenea, progresul rapid al dezvoltării roboților a dus la apariția unei noi
științe ce se ocupă cu proiectarea și fabricarea acestora: robotica.

1.2 Ce este robotica?

Robotica este stiința care se ocupa cu tehnologia, proiectarea și fabricarea
roboțiilor. Această stiință a apărut de aproximativ șase decenii, deși termenul a fost
folosit mai devreme. Robotica este formată din mai multe discipline, principalele fiind
informatică, mecanică și electrotehnică iar persoana care lucrează în domeniu se
numeste robotician.
Chiar și construcția unui robot ce ar trebui să îndeplinească o misiune simplă,
este în sine un proces complicat ce necesită cunoștiințe din mai multe dom enii. În mare,
robotica se împarte în trei subdiviziuni: percepție, cogniție și acțiune. Cu alte cuvinte, un
robot trebuie să fie capabil să ”simtă” pentru a putea primi informații din mediul extern.
De asemenea, trebuie să fie capabil să ”înțeleagă” infor mațiile primite, iar în final trebuie
să decidă și să ”facă ceva” în funcție de informațiile primite.
Percepția include tot ceea ce ține de senzorii prin care robotul poate primi
informații din mediu în care operează, diversitatea lor fiind foarte vastă. Cogniția are loc
la nivelul blocului de calcul și decizie, iar acționarea, în funcție de tipul robotului sau
chiar a sarcinii ce trebuie îndeplinită, poate avea loc ori la același nivel, ori la nivelul
blocului mecanic.
În ultimii ani, în cadrul roboticii a apărut un nou concept de construcție de robot
artificial ce se bazează strict pe programare, definit ca RPA (robot process automation).
Aceasta se ocupă în principiu cu automatizarea taskurilor repetitive, ce se realizează pe
calculator.

1.3 Primele a plicații robotice

După Al Doilea Război Mondial, America a cunoscut o puternică dezvoltare
industrială și o creștere economică semnificativă. Acest fapt a dus la crearea primului
robot în acest domeniu, denumit ” the Unimate ”, care era capabil să mute obiecte în jurul

6 CAPITOLUL 1: SISTEMUL INFORMATIC
său. Acesta era de fapt un braț robotic apărut în anul 1961, inven tat de George Devol
împreună cu Joseph Engelberger și opera sub brevetul ” Programmed Article Transfer ”
depus de George Devol în anul 1954, tradus ca:
” Prezenta invenție se referă la funcționarea automată a mașinilor, în special la
aparatele de manipular e, și la aparatele automate de comandă potrivite pentru astfel de
mașini .”
În 1962 ” the Unimate ” a fost cumpărat de General Motors, împreună cu
tehnologia de contruire a acestuia, și a fost primul braț robotic folosit pe o linie de
asamblare. În aceeași perioada, Engelberger împreună cu Devol au înființat compania
”Unimate Inc.”, care a devenit lider mondial în robotică.
Jorge Angeles definește sistemul robotic ca un sistem compus din mai multe
subsisteme, ce comunică între ele prin interfețe ale căror funcții de bază este
decodificarea informației de la un subsistem la altul. O diagramă a sistemului robotic,
definită în cartea ” , Fundamental of Robotic Mechanical Systems – Theory, Methods
and Algorithms ”, este:

Figura 1.1 Diagrama bloc generală a unui sistem informatic

1.4 Robot process automation

Dezvoltarea industriei IT din ultimul deceniu a adus cu sine un nou mod de
muncă unde majoritatea taskurilor sunt făcute pe un sistem digital , iar multe dintre ele
sunt repetitive. Acestea necesită mai degrabă atenție din partea operatorului uman,
decât gâ ndire. Nevoia de automatizare a acestor taskuri și eliminarea greșelilor umane

7 CAPITOLUL 1: SISTEMUL INFORMATIC
a dus la dezvoltarea unui nou concept de robot. Acesta poate fi clasificat ca un robot
virtual și este reprezentat de un program software prin care anumite taskuri pot fi
automa tizate.
Procesul de proiectare și construcție al unui asemenea robot este cunoscut sub
numele de ”robot process automation”. Aceasta reprezintă tehnologia care permite
oricărui utilizator să configureze un robot care poate emula și integra acțiunile unei
persoane care interacționează cu un sistem digital pentru a executa un task. Roboții
RPA utilizează interfața cu utilizatorul pentru a capta date și a manipula aplicații la fel ca
oamenii. Aceștia interpretează, declanșează răspunsuri și comunică cu alte s isteme
pentru a putea realiza o gamă largă de sarcini repetitive.

1.5 Clasificarea roboților

În cartea sa de sinteză, Jorge Angeles definește roboții controlați de o ființă
umană telemanipulatori. În cazul acestora, scopul final ce trebuie îndeplinit d e către
robot este definit de către om, care devine astfel componenta de control în diagrama
robotului. O clasificare a roboților oferită de Jorge Angeles, în funcție de modul lor de
operare, este:
• roboți manipulatori seriali;
• roboți manipulatori paraleli;
• brațe robotice;
• roboți mobili pășitori;
• roboți mobili cu roți;
Roboții manipulatori seriali sunt considerați cele mai simple sisteme robotice, ei
încercând să reproducă mișcările brațului uman în manipularea obiectelor. Aceștia se
confruntă însă cu o gamă largă de constrângeri, fapt ce a dus la separarea lor de
manipulatorii paraleli, care sunt formați dintr -o platformă de bază fixă și una mobilă,
care acționează mai multe brațe.
Un robot care să imite mersul uman a fost greu de reali zat din cauza echilibrului
greu de obținut, cauzat de variația parametrilor dinamici de mișcare. Un succes real l -au
avut însă roboții cu mai multe picioare.

8 CAPITOLUL 1: SISTEMUL INF ORMATIC
Varietatea domeniilor în care astăzi sunt folosiți roboții este largă, așadar
clasificarea lor după un singur criteriu este irelevantă. O clasificare mai amplă a
roboților, ar fi:
În funcție de gradul de mișcare:
• roboți mobili;
• roboți ficși;
În funcție de sistemul de coordonate:
• roboți în sistem de coordonate carteziene;
• roboți în sistem de coordonate cilindrice;
• roboți în sistem de coordonate sferice;

În funcție de sistemul de acționare:
• roboți cu sistem de acționare electric;
• roboți cu sistem de acționar e hidraulic;
• roboți cu sistem de acționare pneumatic;
• roboți cu sistem de acționare mixt;
În funcție de generarea traiectoriei:
• roboți cu poziționare continuă;
• roboți cu poziționare secvențială;
În funcție de valoarea capacității portante:
• microroboți (zeci de grame);
• miniroboți (sute de grame);
• roboți mijlocii (de ordinul kilogramelor);
• roboți grei (de ordinul sutelor de kilograme);
În funcție de prelucrarea informației și metoda de control:
• roboți acționați de un om;
• roboți autonomi cu sistem de control cu relee;
• roboți autonomi cu sistem de control secvențial cu program modificabil;
• roboți autonomi repetitori, cu program de instruire;
• roboți autonomi cu învățare automată (inteligenți);

9 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
Pentru ca un robot să fie autonom el în primul rând trebuie să dispună de
resursele de calcul atât hardware cât și software, altele decât cele de interferență în
timp real de la un agent uman, pentru a calcula in mediul fizic incorporat cele mai bune
actiuni posibile delimitate de un set de con strangeri in vederea realizarii unui set de
obiective. Pe urma, un robot autonom trebuie sa dispuna de resursele adecvate pentru
a interprinde un set de actiuni in anumite limite in vederea atingerii unui scop.
În funcție de metoda de programare:
• roboți cu programare rigidă (nu se poate modifica programul);
• roboți cu programare flexibilă (se poate modifica programul);
• roboți cu programare adaptivă (programul se poate adapta în timpul
funcționării);
O clasificare a roboților se poate face și în funcție de do meniul în care acesta
activează. Se pot identifica astfel următoarele mari categorii de roboți principali:
• roboți industriali – manipulatori concepuți pentru a efectua o serie de sarcini
programate în medii de producție și fabricație;
• roboți militari – acționați de un om sau autonomi, cu scopul de căutare,
salvare, cartografiere etc.;
• roboți din industria medicală – utilizați în diferite proceduri medicale;
• roboți de serviciu – cu utilitate casnică;
• roboți exploratori – utilizați în explorarea spațiului gre u accesibil sau
inaccesibil omului;

CAPITOLUL 2 : ARHITECTURA SISTEM ULUI INFORMATIC

2.1 Structura unui sistem informatic

Structura unui robot reprezintă de fapt un sistem informatic compus din mai
multe subsisteme. Un sistem este un ansamblu de părți componente, elemente și
legăturile dintre acestea. Elementele în sine sunt un subsisteme care, la rândul său, pot
fi compuse din mai multe subsisteme. De aceea există o ierarhizare, iar s istemul

10 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
principal poartă denumirea de sistem de rangul I, subsistemele acestuia se numesc
sisteme de de rangul II și așa mai departe. Modul de compunere și legăturile dintre
subsisteme definesc structura unui sistem. Robotul este un sistem de rangu l I, ia r o
structura orientativă a acestuia se poate observa în următoarea figură:

Figura 2.1 Structura unui sistem informatic

Sistemul unui robot comunică cu mediul exterior si este format din următoarele
elemente:
• Sistemul mecanic, care reprezintă și ”scheletul” robotului, definește
amplitudinea mișcă rilor ce pot fi efectuate;
• Sistemul de acționare realizează miscarea efectivă a elementelor din
sistemul mecanic. Mobilitatea robotului este dată de acest sistem de
rangul II;
• Sistemul de calcul și decizional prelucrează inform ațiile primite de la
senzori , aparatele de măsurare și sistemul mecanic ( prin traductoare ), iar
apoi trimite comenzi către sistemul de acționare;
• Traductorii preiau info rmații de la sistemul mecanic despre starea internă
a robotului, ca de exemplu viteză, accelerație, presiune, temperatură,
direcție de deplasare și așa mai departe;
• Senzorii preiau informații de la mediul exterior care sunt trimise către
sistemul de comand ă;

11 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
• Sistemul de conducere este un sistem superior celui mecanic și este
compus din sistemul de comandă și sistemul de acționare;
• Mediul extern reprezintă ”spațiul” în care operează robotul. Legăturile
dintre robot și mediul extern pot fi directe sau i nverse (feedback). Cele
directe se fac de obicei cu sistemul mecanic, iar cele indirecte cu senzorii,
aparatele de măsurare, traductori;

2.2 Prezentarea generală a sistemului mecanic

Structura robotului este definită de scopul acestuia. De exemplu, un robot
industrial trebuie să fie capabil să acționeze asupra mediului î nconjurător, să preia
informații de la acesta, să decidă în scopul realizării unor sarcini și să acționeze pe
baza informațiilor primite. Pentru realizarea acestor funcții, structura rob otului industrial
este alcătuită din:
• sistem mecanic;
• sistem de acționare;
• sistem programare și comandă;
• sistem senzorial;
Sistemul mecanic al robotului trebuie să aibă capabilitatea și să dețină energia
necesară de a deplasa obiecte, în intervalul unei anumite greutăți. Partea din sistemul
mecanic care realizează această deplasare se numește dispozitiv de ghidare sau
manipula tor. Subsistemul din cadrul sistemului mecanic dedicat scopului de ghidare a
obiectelor se numește dispozitiv de ghidare și are rolul de a da efectua mișcările
robotului. Dispozitivele de ghidare pot fi:
• cu topologie serială;
• cu topologie paralelă;
• cu top ologie mixtă;
Partea din sistemul mecanic prin care robotul acționează asupra mediului se
numește efector final. O diagramă generală a sistemului mecanic al unui robot se poate
observa în urmatoarea imagine:

12 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC

Figura 2.2 Sistemul mecanic al unui sistem informatic

În cadrul sistemului mecanic, componenta al cărui scop o reprezintă orientarea în
spațiu și definirea traiectoriei este mecanismul de orient are, iar deplasarea propriu zisă
este generată de mecanismul de traiectorie .
Platforma mobilă este componenta a sistemului mecanic care asigură
modificarea situării robotului în mediu extern și de asemenea definește tipul robotului:
• Robot staționar (în acest caz platorma mobilă lipsește);
• Robot mobil ( în acest caz dispozitivul de ghidare modifică situarea
obiectulu i în raport cu platforma mobilă);

2.3 Prezentarea generală a sistemu lui de acționare

Sistemul de ac ționare este un subsistem ce face parte din sistemul de conducere
al unui robot. De asemenea acesta este compus din mai multe componente, fiecare
având un scop precis. Acestea sunt:
Actuatorul are scopul de a transforma energia primită de la o sursă primară în
energie mecanică. Structura acestuia nu mai poate fi descumpusă în substructuri,
deoarece există riscul de a se pierde capacitatea generare a mișcării.
Sistemul de transmisie este un subs istem al sistemului de acționare al cărui scop
este transferul energiei mecanice la componentele cu ajutorul cărora mișcarea este
posibilă. Acesta conține de asemenea mai multe componente cu scop specific.

13 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
Traductorul sau aparatul de măsurare are scopul d e a transforma o mărime de
natură fizică într -o altă mărime de natură fizică pentru utilizarea acesteia într -un sistem
de automatizare, de reglare a mișcării.
Componentele sistemului de acționare sunt de fapt toate motoarele, convertoarele și
aparatele de măsurare prin care se obține energia mecanică necesară deplasării
robotului și dispozitivele suplimentare ce controlează acest transfer. O schemă generală
a unui sistem de acționare se poate observa în următoarea figură:

Figura 2.3 Sistemului de acționare al unui sistem informatic
În funcție de energia primară, clasa de operații ce trebuiesc efectuate, viteza de
deplasare, spațiul de m ișcare, precizia de poziționare și alte proprietăți specifice,
sistemele de acționare se împart în următoarele categorii:
• sisteme de acționare electrice (cele mai ră spândite la ora actuală);
• sisteme de acționare hidraulice ( folosite în general la brațe r obotice, unde
deplasările în spațiu sunt limitate);
• sisteme de acționare pneumatice;
• sisteme de acționare hibride sau mixte (electropneumatice sau
electrohidraulice);

14 CAPITOLUL 2: ARHITE CTURA SISTEMULUI INFORMATIC
2.3.1 Sisteme de acționare electrice

Sistemele de acționare electrice sunt cele mai răspândite datorită avantajelor ce
le oferă, cum ar fi prețul redus al energiei primare și disponibilitatea acesteia,
simplitatea racordării elementelor la rețea, fiabilitatea motoarelor electrice,
compatibiliatea cu celelalte sisteme și altele. Acesta vine totuși cu dezanvantajul
necesității unor mecanisme suplimentare, de exemplu de adaptare a vitezei, de control
al inerției și a altora, acestea depinzând de operațiile ce trebuiesc îndeplinite de către
robot.
Componenta principală a unui sistem de acționare o reprezintă motorul. Motorul
electric, definit și ca electromotor se clasifică în următoarele:
• motoarele electrice de curent continuu;
• motoarele electrice de curent alternativ;
Un motor electric transformă energia electrică î n energie mecanică. Pierderile de
energie (electrică și mecanică) care au loc în timpul acestui proces se transformă în
caldură. Electromotorul este format din stator și rotor. Statorul repr ezintă partea fixă a
motorului și este reprezentată de carcasa ace stuia, bornele de colectare a curentului,
armătura magnetică statorică și înfășurarea statorică. Rotorul reprezintă partea mobilă
a mo torului, formată dintr -un ax și o armătură magnetică rotorică. Între cele două
componente există o porțiune de aer, denumi tă intrefier , ce permite mișcarea rotorului.
Dimensiunea intrefierului este un indicator important în stabilirea performanței
motorului.

Figura 2.4 Structura motorului electric

15 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC

Motorul electric de curent continuu a fost descoperit de Zénobe Gramme în
anul 1873. Acesta are pe stator poli magnetici și bobine polare concentrate ce crează
un câmp magnetic de excitație. Pe axul rotorului este situatut un colector, cu rolul de a
schimba sensul curentului în înfășurarea rotorică pentru a exercita constant o forță față
de rotor, provocând rotirea acestuia. Turația motorului este invers proporționala cu
câmpul magnetic de excitație și direct proporționala cu rotația rotorului. Cuplul dezvoltat
de motor este d irect proporțional cu turația și curentul electric aplicat.
În funcție de modul înfășurării de excitație, motoarele electrice de curent continuu
se clasifică:
• motor cu excitație independentă ( înfășurarea statorică și cea rotorică sunt
conectate la surse de tensiune separate);
• motor cu excitație paralelă ( înfășurarea statorică și cea rotorică sunt
conectate în paralel la aceiași sursă de tensiune );
• motor cu excitație serie (înfășurarea statorică și cea rotorică sunt legat e în
serie la aceeași sursă de tensiune);
• motor cu excitație mixtă;
Motorul electric de curent alternativ a fost descoperit de Nik ola Tesla în anul
1882. Acestea funcționează pe baza principiului magnetic învârtitor. Există două tipuri
de motoare de curent alternativ: sincrone și asincrone sau cu inducție , fiecare fiind
monofazate și trifazate. Datorită eficienței lor, motoarele trifazate cu inducție sunt mai
des folosite.

Figura 2.5 Structura motorului electric alternativ

16 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
Motorul sincron trifazat se diferențiază prin faptul că turația motorului este egală
cu turația câmpului magnetic învârtitor. Acestea sunt folosite pentru îndeplinirea unor
obiective pentru care este nevoie de o putere mare acționare.
Un alt tip de motor sincron și răspândit este motorul pas cu pas. Acesta se
diferențiază prin faptul că rotirea rotorului se face dintr -un pol al statorului în altul, de
aici și denumirea. Acesta ofera o precizie ridicată, prin urmare fiind folosit de exemplu la
hard discuri.
În cazul motoarelor asincrone sau cele cu inducție circuitului magnetic îi sunt
asociate două mai multe circuite ce se deplasează în raport unul față de celalalt,
provocând fenomenul de inducție electromagnetică prin care se face transferul de
energie de la partea fixă la cea mobilă. În acest caz, viteza de rotație este diferită de
viteza de rotație a rotorului, de aici și numele de asincron. Turația nu depinde de
sarcina ce trebuie îndeplinită.

2.3.2 Sisteme de acționare hidraulice

Sistemele de acționare hidraulice au fost primele care au apărut, acestea fiind
folosite în general la brațele robotice deoarece acestea permit dezvoltarea unei puteri
mari. Dezavantajele unui asemenea sistem constau în spațiul de mișcare restrâns și
precizie de poziționare redusă. În cadrul acestor sisteme energia hidraulică este
transformată în energie mecanică (de mișcare liniară sau de rotație).

2.3.3 Sisteme de acționare pneumatice

Sistemele de acționare pneumatice la fel ca cele hidraulice transformă energia
fluidelor in energie mecanică de rotație. În funcție de cum energia pneumatică este
transformată, motoarele pn eumatice s e împart în:
• motoare pneumostatice (volumice) unde energia mecanică este obținută
prin mod ificarea permanentă a volumului fluidelor;
• motoare pneumodinamice unde energia pneumostatică a fluidului folosit e
transformată în energie cinetică, apoi în energie mecanică;

17 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
2.4 Prezentarea generală a sistemului senzorial

În funcț ie de sarcinile pe care trebuie să le îndeplinească, un robot trebuie să fie
capabil să execute un număr larg de mișcări și să nu fie limitat de condițiile știute ale
mediului extern în care se află. De asemenea trebuie să fie capabil să -și modifice
caracter istice funcționale o dată cu modificarea factorilor externi în spațiul în care
acționează. Cu alte cuvinte, un robot trebuie să se fie autoadaptiv și să își modifice
proprietățile de mișcare (viteză, accelerație, sens de deplasare etc.) în concordanță cu
modificarea mediului. Pentru a putea fi adaptativ, un robot trebuie să aibă elemente
prin care să ”simtă” mediul extern, să măsoare diferite caracteristici ale acestuia.
Totalitatea elementelor prin care robotul e capabil să procure informații din mediul
extern formează sistemul senzorial, iar elementul principal al acestui sistem sunt
senzorii.
Sistemul senzorial al unui robot depinde în mod direct de sarcinile pe care acesta
trebuie să le îndeplinească. Senzorii pot oferi informații despre parametrii intrinseci ai
robotului, de exemplu viteza de deplasare, sensul de mers, accelerația acestuia sau pot
defini caracteristici ale mediului extern și informații despre alte obiecte din vecinătatea
spațiului de funcționare. Astfel, senzorii se pot clasifica di n mai multe puncte de vedere,
de la obiectul despre care oferă informații până la parametrii măsurați.
O primă clasificare a senzorilor ar fi:
• Senzori interni sau prioceptivi, ce oferă informații despre diferite
componente ale robotului;
• Senzori externi sau exteroceptivi, ce furnizează date despre mediul extern
și obiectele din mediul extern;
O altă clasificare a acestora se poate face în funcție de distanța robotului față de
obiectul măsurat:
• Senzori de contact, ce măsoară de exemplu presiunea dintre obi ect și
dispozitivul de prehensiune;
• Senzori de proximitate, cum ar fi senzorii optici sau de temperatură;
• Senzorii de distanță, cum ar fi camera video sau senzorii acustici;
Și caracteristicile măsurate:
• Senzori pentru determinarea formelor geometrice;
• Senzori pentru determinarea proprietăților fizice;
• Senzori pentru determinarea proprietăților chimice;

18 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
Senzorii dispun de un receptor prin care preiau semnalul și îl transmit mai
departe. Există însă și senzori care pe lângă receptor dispun și de emițător, cu ajutorul
căruia induc o stare mediului extern sau obiectelor externe și preiau prin receptor
răspunsul acestora la semnalul indus. Aceștia se clasifică:
• Senzori activi, cu receptor și emițător;
• Senzori pasivi, doar cu receptor;
O caracteristică importantă al senzorilor este tipul semnalului pe care aceștia îl
pot transmite. În ziua de azi, majoritatea senzorilor sunt capabili să transmită semnal
atât analogic cât și digital. O schemă orientativă a sistemului se nzorial se poate observa
în urmă toarea figur ă:

Figura 2.6 Sistemul senzorial al unui sistem informatic

Controlul robotului este direct influențat de informațiile furnizate de către senzori.
Astfel, execuția unei operații declanșată de sistemul de calcul și comandă, în urma
informațiilor furnizate de către sistemul senzorial, se împarte pe cinci nivele:
1) Nivelul controlului secvențial, ce corespunde controlului secve nțial cu senzori tip
”0-1” sau ”DA -NU”;
2) Nivelul controlului înainte, comanda fiind generată de către sistem în urma
primirii informației despre sarcina necesară pentru a îndeplini operația;

19 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATI C
3) Nivelul controlului senzorial cu buclă închisă, comanda fiind gene rată continuu
de către sistem în urma primirii informației atât despre sarcina necesară, cât și
despre modificarea proprietăților robotului și al stării mediului extern;
4) Nivelul controlului adaptiv, unde informația senzorială este folosită pentru
reglarea parametrilor sistemului, cu scopul adaptării sau optimizării;
5) Nivelul controlului autonom, unde robotul îndeplinește funcții ce țin de inteligența
artificială. Acesta reprezintă scopul final al unui sistem de control bazat pe
senzori.

Figura 2.7 Nivele le controlului bazat pe informațiile generate de sistemul senzorial

Scopul sistemului senzorial este acela de a culege informații cât mai precise
despre robot și mediul înconjurator și de a le transmite sistemului de calcul și
decizional. Acest scop este greu de îndeplinit prin folosirea unui singur senzor sau
senzori de acelați tip, așadar astăzi roboții sunt echipați cu sisteme de senzori
complexe ce asi gură o acuratețe ridicată privind informația transmisă. Integrarea unui
sistem senzorial aduce cu sine totodată complexitate mai ridicată în calcului deciziilor
ce trebuiesc luate.

20 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
2.5 Prezentarea generală a s istemul ui de comandă

Pentru a putea fi considerat autonom, un robot trebuie să aibă un sistem de
comandă, prin intermediul căruia prelucrează datele primite de la sistemul senzorial și
în urma acestei acțiuni ia o decizie ce o trasmite către elementele de execuție din cadrul
celorlalt e sisteme, în general cel mecanic. Aceste funcții sunt îndeplinite în general de
un singur element, un calculator minimal integrat, definit microcontrol ler.
Microcontrol lerul este de fapt un microcircuit care are o unitate centrala de calcul
(CPU), o mem orie(RAM, ROM, EEPROM), blocuri analogice, interfețe de comunicație,
porturi de intrare/ieșire, oscilator ce îi permit intercațiunea cu mediul exterior. Fiind
stocate în memorie, instrucțiunile se executa la o la o viteză mare.

Figura 2.8 Arhitectura microcontroller -ului

2.5.1 Memoria

Informațiile, fie ele instrucțiuni, date de intrare, date de ieșire, rezultatele finale,
rezultatele intermediare, variabilele și așa mai departe sunt păstrate în memorie. În

21 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
funcție de informațiile stocate, memoria trebuie să fie atât permanentă sau nevol atilă
(informațiile sunt păstrate în memorie în cazul opririi și repornirii sistemului) cât și
temporare sau volatile. Instrucțiunile care controlează funcționarea sistemului sunt
păstrate în memoria nevolatilă, iar variabilele și rezultatele intermediare sunt păstrate în
memoria volatilă, unde atât citirea cât și scrierea trebuie să se facă rapid.
Memoria RAM (Random Access Memory) este o memorie volatilă. În general, un
microrontroller dispune de o cantitate mică de memorie RAM , datorită costurilor mari de
implementare. Ea există sub formă de registre sau este implementată ca atare.
Memoria ROM (Read Only Memory) este o memorie nevolatilă utilizată la
stocarea programelor. Unitatea centrală nu poate modifica informațiile din această
memorie, doar citi.
Memoria PROM (Programmable Read Only Memory) este o memorie ROM
programată de utilizator. Acest tip de memorie se împarte în mai multe categorii, în
funcție de posibilitatea de ștergere:
• EPROM (Errasable PROM) – informațiile din acest tip de memorie se pot
șterge prin expunere la raze ultraviolete. În acest caz ștergerea este
totală, neputând alege fragmente pe care să le ștergi. Numărul de ștergeri
este limitat. O variantă la acest tip de memorie o reprezintă memoria
Flash EPROM, care pune la dispoziție o cantitate mai mare de memorie
nevolatilă și un număr de rescrieri mai ridicat ( ~10000).
• EEPROM (Electrically EPROM) – este ștearsă selectiv de unitatea
centrală de calcul în timpul funcționării. Scrierea este lentă, iar ciclurile de
programare și în acest caz sunt limitate. Și aici există varianta Flash
EEPROM, care, la fel ca în cazul Flash EPROM, dispune de o cantitate
mai mare de memorie și cicluri de rescriere mai mari.
• OTP (One Time Programmable PROM) – este o memorie EPROM de
fapt, încapsulată î ntr-un material de plastic fără posibilitate de ștergere.
Aplicațiile unde se poate folosi acest tip de memorie sunt limitate.
Există și memorii RAM nevolatile, cunoscute sub denumirea NOVRAM (Non
volatile RAM). Implementarea acestora este mai costisitoare , dar timpul de rescriere
este mai rapid și nelimitat.
În cadrul microcontroller -lelor, memoria se împarte în două mari categorii:
memoria de date și memoria program. Memoria de date este volatilă, de tip RAM.
Celulele acestei memorii sunt de fapt regiștri i, care diferă în funcție de numă rul de biți
ce pot fi stocați pe ele. Memoria program este de tip ROM, nevolatilă deci. Ea poate fi
internă care este direct incorporată pe chip, dar poate fi și extinsă extern.

22 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
Microcontroller -ele ce nu au memorie program internă îndeplinesc doar funcția CPU –
ului, ele lucrând în regim de microprocesor.

2.5.2 Unitatea centrală de procesare (CPU)

Unul din elementele cele mai importante din arhitectura unui microcontroller este
unitatea centrala de calcul(CPU). Aceasta este formată dintr -o unitate de comandă(UC)
și o unitate aritmetică logică, abreviată UAL . Aceasta primește comenzile de la unitatea
de comandă și transformă un șir de date de intrare în alt șir de date de ieșire , fiind
stocate în gene ral în regiștrii interni . Prelucrările de date se numesc operații și se fac
asupra unor șiruri binare cu lungime varaibilă de biți. Operațiile aplicate asupra datelor
sunt operații logice și aritmetice .

Figura 2.9 Arhitectura unității aritmetice logice

CPU -ul conține un set de regiștrii folosiți pentru informația volatilă ca variabile
sau rezultate intermediare. Aceștia diferă În funcție de tipul microcontroller -ului, dar
există și regiștri i comuni, ca:
• A – registrul acumulator, folosit la stocarea unui operand sau rezultatul
unei operații logice sau aritmetice.
• PC – registrul numărător de program, stochează adresa următoarei
instrucțiuni ce urmează a fi executate. Incrementarea se face automat, o
dată cu execuția unei instrucțiuni.
• SP – registrul indicator de stivă, stochează adresa unei memorii de date
ce conține informații temporare necesare în execuția programului(stivă).

23 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
Modificarea acestei memorii se face prin instrucțiuni specific e de
PUSH/POP.
Operanzii și rezultatul operațiilor pot fi stocați atât intern în regiștrii cât și extern
în memorie. Sincronizarea CPU -ului cu restul elementelor se face prin intrările și ieșirile
de sincronizare. Instrucțiunile ce trebuiesc îndeplinite su nt întotdeauna păstr ate în
memoria program, iar generarea adreselor pentru memoria de date și program, precum
și generarea semnalel or de comandă sunt efectuate de unitatea de comandă.

Figura 2.10 Arhitectura CPU
Execuția unei instrucțiuni se desfășoară în general în trei faze , care constituie un
ciclu:
1) instrucțiunea este citită de unitatea de comandă din memoria program;
2) instrucțiunea este decodificată de UC, care transmite secvența de comenzi
către UAL;
3) UAL-ul ex ecută comenzile, iar UC -ul își modifică în paralel secvența de
comenzi în funcție de rezultatul intermediar primit de la UAL. Dacă este
necesară citirea datelor din exterior, acestea sunt executate aici;
Procesorul comunică cu celelalte emelente din cadrul microcontroller -ului prin
grupuri de conexiuni ce transferă semnale comune, denumite magistrale. În funcție de
tipul semnalelor, avem magistrale de date și magistrale de adrese. Magistralele de date
sunt bidirecționale și prin ele se citesc sau scriu val ori existente la o anumită adresă.
Magistralele de adrese transmit semnale într -un singur sens și conțin adresele la care

24 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
se găsesc resursele sistemului. Magistralele stabilesc numărul biților ce pot fi transmiși
sau recepționați de procesor într -un singur ciclu. A rhitectura procesoarelor diferă în
funcție de m odul de execuție a l unui ciclu, al modului de comunicare sau al modului în
care informațiile sunt stocate în m emorie.
Arhitectura de tip CISC(Complex Instruction Set Computer) a fost prima dată
implementată de IBM în jurul anilor 1970. Procesoarele cu această arhitectură pot
include în aceeași instrucțiune mai multe operații cu complexitate redusă, ca de
exemplu citirea din memorie a datelor, scrierea în memorie a datelor, modi ficarea
variabilelor. Un set de operații ce însumează o instrucțiune poate ajunge la 80. Această
arhitectură era în general folosi tă pe calculatoarele personale.
Arhitectura de tip RISC(Reduced Inscruction Set Computer) a apărut ca
efect al instrucțiunilor complexe ce impactau costul de implementare și performanța
procesoarelor cu arhitectura CISC. Aceasta a apărut la sfarșitul anilor 1970 și
presupune ca fiecare instrucțiune să fie cât mai mult simplificată. Astfel, per formanța
procesoarelor crește, deoarece până și operațiile care se referă la citirea sau scrierea în
memorie sunt intrucțiuni distincte. Această arhitectură este cunoscută și sub numele de
”arhitectură load/store”, fiind prezentă pe aproximativ 99% din pro cesoare la începutul
anului 2018.
Arhitectura de tip Harvard se caracterizează prin faptul că memoria folosită
pentru instrucțiuni și date este separată. Instrucțiunile sunt stocate în memoria program,
iar datele sunt stocate în memoria de date. De asemen ea, magistralele de date și
adrese sunt distincte. Numele provide de la ”Harvard Mark I”, un sistem de calcul ce
stoca instrucțiunile pe o bandă perforată de 24 de biți.

Figura 2.11 Arhitectură CPU tip ”Harvard”

25 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC
Principalul avantaj al acestei arhitecturi este faptul că permite un anumit grad de
paralelism, astfel, în timpul fazei de execuție a unei instrucțiuni, se poate citi următoarea
instrucțiune. Faza I și faza III a două cicluri se execută în paral el. Procesoarele cu
această arhitectură sunt deci mai rapide. Un alt avantaj, prin prisma paralelismului, este
faptul că timpu l de execuție al instrucțiunilor este același.

Figura 2.12 Paralelism în arhitectură CPU tip ”Harvard”
Arhitectura de tip von Neumann se caracterizează prin faptul că memoria unde
sunt stocate instrucțiunile și datele este aceeași. De asemenea, magistralele de date și
adrese sunt comune. Denumirea acestei arhitect uri vine de la renumitul John von
Neumann, matematician și pionier al informaticii în anii 1940. Deși performanțele
procesoarelor s -au îmbunătațit foarte mult comparativ cu anii 1940, principiile
arhitecturii von Neumann sunt baza a majoritații procesoarelor și în ziua de astăzi,
datorită simplității de implementare. Aceasta mai este cunoscută și sub denumirea de
arhitectură Princeton.

Figura 2.13 Arhitectură CPU tip ”von Neumann”

26 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC

Principalul av antaj al acestei arhitecturi constă în folosirea rezultatelor returnate
de UAL ca instrucțiuni, acest fapt fiind posibil prin folosirea comună a memoriei și
magistralelor.

2.5.3 Oscilatorul

Oscilatorul este componenta din cadrul microcontroller -ului care furnizează
semnalul de sincronizare pentru procesor. Acesta generează ”clock -ul” microcontroller –
ului care determină viteza de lucru a acestuia. Principalele tipuri de oscilatoare întalnite
sunt oscilatoarele cu cuarț și oscilatoarele RC.
Oscilatoarul cu cuarț se află într -o carcasă metalică cu doi pini, care oscilează la
o anumită frecvență. Pinii sunt legați la două condensatoare. Aceste elemente se pot
găsii toate încapsulate, iar oscilatorul respectiv mai poartă denumirea și de oscilator
piezoceramic.
O variantă mai acce sibilă o reprezintă oscilatorul RC. Acesta se diferențiază prin
faptul că frecvența de rezonanță depinde de tensiunea alimentării, rezi storul R,
condensatorul C și tempera tura de lucru. Acest tip de oscilator are dezavantajul că nu
oferă o precizie ridicat ă.

Figura 2.14 Arhitectură oscilator cu cuarț și RC
Un ciclu de instrucțiune este diferit de un ciclu de ceas, fiecare fază din cadrul
instrucțiunii putând avea mai multe cicluri de ceas.

27 CAPITOLUL 2: ARHITECTURA SISTEMULUI INFORMATIC

2.5.4 Circuitul de reinițializare
Această componentă aduce microcontroller -ul într -o stare definită ca inițială.Este
reprezentată în general de un buton (RESET) și induce încărcarea memoriei volatile cu
valori predefinite și încărcarea contorului program cu o adresă predefinită.

Figura 2.15 Circuit reinițializare în oscilator RC
Inițializarea se poate declanșa prin scăderea tensiunii de alimentare sub o
anumită valoare, modificarea stării unui pin de resetare sau prin depășirea unui anumit
interval de timp.

2.5.5 Circuitul de monitorizare
Cunoscut sub numele de watch -dog, este un contor care, la depășirea unei valori
induce reinițializarea microcntroller -ului. Scopul lui este recuperarea din stări de blocaj.

2.5.6 Controller -ul de întreruperi
Pentru ca microcontroller -ul să fie în sincronizare cu evenimentele produse la
nivelul dispozitivelor încorporate sau externe, este nevoie de o întrerupere. La
producerea unui asemenea eveniment, un controller -ul de înt rerupere generează o
cerere către procesor, care execută o serie de instrucțiuni încorporate definite în acest
scop. Execuția programului principal este întreruptă, dar registrere interne și externe,
precum și memoria volatilă reține informațiile conținute la momentul întreruperii. Astfel,
se asigură reluarea și executarea programului în continuare fără modificări de rezultate
datorate întreruperii.

28 CAPITOLUL 3: SISTEMUL INFORMATIC PREZENTAT

2.5.7 Alte periferice din arhitectura microcontroller -ului
Pe lângă cele menționate, mai există componente ce îndeplinesc o funcție
specifică în cadrul unui microcontroller. Dintre ele, amintim:
• dispozitive I/O se găsesc în arhitectura microcontroller -ului într -o varietate
mare, fiecare dintre ele îndeplinind o funcție specifică, ca de exemplu transf er
serial sau paralel de date, funcții de numărare, generare de impulsuri și altele.
Acestea sunt ”văzute” de microcontroller ca porturi, iar maparea adreselor se
face fie în spațiul de memorie, fie într -un spațiu propriu alocat.
• convertor analogic/digital are principalul scop de modificare a semnalului
analogic de intrare în semnal digital.
• convertor digital/analogic se găsesc mai rar în arhitectura unui
microcontroller, convertirea semnalului fiind posibilă prin folosirea unui timer
în mod PWM și integrarea acestuia în exterior prin folosirea unui circuit RC.
Un semnal PWM (Pulse Width Modulation) este în general folo sit la
motoarele cu curent continuu.
• controller DMA(Direct Memory Access) are scopul de a furniza
acesul direct la memorie dispozitivelor externe prin porturi I/O, ocolind astfel
CPU -ul în cazul operațiilor de memorie, cu scopul creșterii performanței.

CAPITOLUL 3: SISTEMUL INFORMATIC PREZENTAT

3.1 Obiectivele sistemului informatic

Acest proiect constă în construirea unui sistem autonom mobil, capabil să
urmărească o linie neagră ce descrie un traseu tip labirint și memorează soluția optimă,
după parcurgerea inițială a traseului.
Componentele au fost alese astfel încât raportul cali tate/preț să fie optim.
Principalele elemente din cadrul robotului sunt:

29 CAPITOLUL 3: SISTEMUL INFORMATIC PREZENTAT
• placă dezvoltare tip Arduino UNO;
• două servomotoare acționate electric;
• driver motoare L298N;
• o bară cu opt senzori infraroși reflectivi;
• sursă de alimentare;
• întrerupător;
• șasiu;
• două roti bidirecționale acționate de cele două motoare;
• o roată multidirecțională tip ball caster;
• elemente pasive: diode,condensatoare, rezistoare, fire;
• fire de conectare;
O descriere generală a sistemului informatic se poate observa în următoarea figură:

Figura 3.1 Schema generală a sistemului informatic prezentat
Am ales un dispozitiv Arduino UNO cu microcontroller ATMega 328P -PU pentru
acest proiect pentru ca oferă destule intrări digitale și analogice pentru senzori și
motoare. De asemenea funcționalitățile oferite sunt sufieciente pentru obiectivele ce
trebuiesc îndeplinite de cătr robot. Motoarele în curent continuu în punte H permit
robotului să se deplaseze înainte și înapoi, cu o viteză direct proporțională cu tensiunea
aplicată asupra lor. Senzorii reflectivi oferă un mod de diferențiere între alb și negru. Ca
sursă de alimentare, folosesc patru baterii de 1.5V fiecare și un întrerupător.
Senzorii trimit informații către microcontroller, care la rândul său controlează
robotul corectând direcția de mers în funcție de informațiile de la senzori, trimițând
semn al către driverul de motoare cu puterea ce trebuie transferată la motoare,

30 CAPITOLUL 3: SISTEMUL INFORMATIC PREZENTAT
individual. Dacă robotul trebuie să vireze stânga, puterea transferată la motorul din
stânga va fi mai mică decât cea transferată la motorul din dreapta și viceversa.
Robotul are u rmătoarele obiective de îndeplinit:
i. să urmărească linia neagră ce delimitează traseul;
ii. să memoreze traseul și să rețină rutele blocate;
iii. să parcurgă a doua oară traseul folosind soluția optimă, unde rutele
blocate sunt evitate.
iv.

3.2 Schema electrică generală a sistemului informatic

O schemă electrică generală a sistemului informatic prezentat cu legăturile între
componente se poate observa în următoarea figură:

Figura 3.2 Schema electrică

31 CAPITOLUL 4: IMPL EMENTAREA SOLUȚIEI HARDWARE
CAPITOLUL 4 : IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI HARDWARE

4.1 Sistemul mecanic

În alegerea componentelor sistemului mecanic, am avut în vedere scopul
principal ce trebuie îndeplinit de sistemul informatic: să se deplaseze înainte și să fie
capabil să vireze. Așadar, sistemul mecanic este alcătuit din:
• un șasiu, pe care să poată fi amplasate piesele generatoare de mișcare;
• două roți bidirecționale;
• o roată de sprijin multidirecțională tip ball caster;
• șuruburi și alte elemente folosite pentru fixarea componente lor pe șasiu;
În următoarea figură se observă modul de amplasare a pieselor ce compun sistemul
mecanic:

Figura 4.1 Sistemul mecanic
Cele două roți bidirecționale sunt atașate la două motoare, ele fiind elementele
asupra cărora se acționează și face posibilă deplasarea. Ball caster -ul are rolul doar de
echilibru și nu interferează cu direcționarea robotului, aceasta fiind posibilă prin
transferul la roțile bidirecționale o viteză inegală.

32 CAPITOLUL 4: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI HARDWARE

4.2 Sistemul de acționare

Sistemul de acționare este format din:
• Sursă de alimentare cu energie electrică, fo rmată din patru baterii de 1.5V și un
întrerupător ;
• Două motoare de curent continuu cu sistem reductor 1:48 tip Polulu, ce
transformă energia electrică în energie mecanică;
Motorul de curent continuu au fost alegerea logică pentru acest proiect, având în
vedere avantajele oferite de un astfel de motor. Acest tip de motor este alc ătuit din:
• motorul propriu zis unde viteza este dată de tensiunea aplicată;
• un sistem reductor 1:48.
Reductorul este un sistem ce acționează ca o cutie de viteze. Acesta distribuie
momentul motor la punțile motoare, oferind în același timp posibilitatea de modificare
momentului motor.

Figura 4.2 Motor cu sistemul reductor 1:48

33 CAPITOLUL 4: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI HARDWARE
În acest caz, ansamblul motor folosit este suficient pentru deplasarea unui robot
de mici dimensiuni. Tensiunea posibilă aplicată este de 3V – 6V, sistemul motor având
un circuit tip punte H. Acesta se diferențiază prin faptul că permite aplicarea tensiunii pe
o sarcină în orice sens. Modul de funcționare al unui circuit electric în punte H se poate
observa în următoarea fig ură:

Figura 4.3 Circuit electric punte H

Folosind un circuit în punte H, robotul este capabil să ruleze înainte și înapoi,
controlând cele patru întrerupătoare. Dacă întrerupătoarele A1 cu B1 sunt deschise și
A2 cu B2 sunt închise și o tensiune este aplicată, se va produce un scurtcircuit.
Viceversa este de asemenea valabilă (A2 cu B2 deschise și A1 cu B1 închise). Cele 4
întrerupătoare sun t tranzistoare bipolare. Un tranzistor bipolar este un dispo zitiv
semiconductor cu scopul de a transmite un semnal electric. Funcțional, un tranzistor
într-un circuit electric se comportă ca un robinet într -o rețea sanitară: permite
trecerea/stoparea curentului în circuit. Tranzistorul bipolar este format din emiță tor,
bază și colector și funcționează în cusscesiune npn sau pnp:

Figura 4.4 Tranzistori bipolari

34 CAPITOLUL 4: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI HARDWARE
Specificații tehnice:
• tensiune de funcționare: 3V ~ 6V (valoare recomandată – 5V);
• viteză fără sarcină: 90 ± 10 rpm;
• curent încărcare: 190mA (maxim 250mA);
• rată reducere: 1:48

4.3 Sistemul senzorial

Pentru sistemul senzorial am ales să folosesc o bară de senzori tip QTR -8RC,
modul senzorial ce poate fi folosit fie ca senzori de proximitate, fie ca senzori reflectivi.

Figura 4.5 Bară senzori QTR -8RC

Modulul are în componență opt fototranzistori (perechi emițător – receptor) repartizați
uniform la un anumit interval. Modul de măsurare al reflexiei pe un senzor se face în
felul următor:
1) se aplică o tensiune pe pin -ul OUT al senzorului;
2) în momentul retra gerii acelei tensiuni, reflexia se obține prin măsurarea timpului
de ”descompunere” al acelei tensiuni;
Timpul de descompunere în cazul în care avem reflexie mare este de câteva
microsecunde, iar în cazul în care avem reflexie mică, timpul de descompunere de de

35 CAPITOLUL 4: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI HARDWARE
ordinul milisecundelor. Timpul exact măsurat depinde de microcontroller. Această
modalitate de măsurare a reflexiei are anumite avantaje, ca de exemplu nu e nevoie de
un convertor analog -digital. De asemenea citirea senzorilor se poate face în parale l de
către microcontroller. Schema electrică se poate observa în următoarea figură:

Figura 4.6 Schema electrică bară senzori QTR -8RC

Specificații tehnice:
• tensiune de funcționare: 3.3V ~ 5V;
• dimensiuni: 7.5cm X 1.3cm;
• curent alimentare: 100mA;
• distanță optimă de detectare: ~ 0.3cm;
• distanța maximă recomandată pentru detectare: ~ 0.9cm;
• greutate: ~ 0.3g;

Cei opt senzori sunt conectați la microcontroller prin pinii 2 -9, după cum se vede în
următoarea imagine, astfel:

36 CAPITOLUL 4: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI HARDWARE
– Arduino digital pin2 – QTR senzor pin8(fir culoare albastră)
– Arduino digital pin3 – QTR senzor pin7(fir culoare galbenă)
– Arduino digital pin4 – QTR senzor pin6(fir culoare verde)
– Arduino digital pin5 – QTR senzor pin5(fir culoare gri)
– Arduino digital pin6 – QTR senzor pin4(fir culoare mov)
– Arduino digital pin7 – QTR senzor pin3(fir culoare portocaliu)
– Arduino digital pin8 – QTR senzor pin2(fir culoare maro)
– Arduino digital pin9 – QTR senzo r pin1(fir culoare azure)

Figura 4.7 Conectare bară senzori QTR -8RC la Arduino UNO

Microcontroller -ul citește infomațiile primite de la fiecare senzor, sub forma:
– 2500 – senzorul se află deasupra unei suprafețe albe;
– 0 – senzorul se află deasupra unei suprafețe negre;

4.4 Sistemul decizional, comandă și control

Acest sistem este format din două componente:
1) Driver motor tip L298N;
2) Un dispozitiv Arduino UNO;

37 CAPITOLUL 4: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI HARDWARE
4.4.1 Driverul L298N

Funcția principală a driverului L298N este acela de transfer al unei anumite cantități
de energie electrică la motor în funcție de comanda venită de la microcontroller. Cu alte
cuvinte, prin driver -ul L298N setez viteza pe cele două motoare. Acest driver m ai are
totuși o funcție și anume de întrerupător temporar al fluxului de energie electrică. O
descriere a acestui dispozitiv, cum sunt fizic conectați pinii în cadrul proiectului, se
poate observa mai jos.

Figura 4.8 Driver L298N
Funcțiile sunt îndeplinite în cadrul driverului prin porți logice, care fizic, sunt
tranzistori bipolari de tip NPN. Curentul circulă, în funcție de comanda primită, într -un
sens sau altul, sau deloc în cazul în care se transmite comanda de OF F pe pinii
EnableA și EnableB. O descriere al modului de funcționare și un exemplu cum direcția
curentului este controlată, se poate observa mai jos.

Figura 4.9 Mod funcționare L298N

38 CAPITOLUL 4: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI HARDWARE
Driver -ul este conectat cu cele două motoare prin pinii de out și cu microcontroller -ul
cu pinii de in și de enable. În următoarea figură se poate observa modul de conectare,
astfel:
– Arduino analog pin A0 – enableA (fir culoare verde);
– Arduino analog pin A1 – enableB (fi r culoare albastru);
– Arduino digital pin10 – input pin motorA 1 (fir culoare portocaliu);
– Arduino digital pin12 – input pin motorA 2 (fir culoare galben);
– Arduino digital pin11 – input pin motorB 1 (fir culoare mov);
– Arduino digital pin13 – input pin motorB 2 (fir culoare roz);

Figura 4.10 Conectare motoare și driver L298N la Arduino UNO

Prin firele de culoare alb, respectiv gri, se face legătura dintre driver -ul L298N și
motoarele A și B. Prin pinii analogici (A0 și A1) motoarele se pot opri/porni individual, în
funție de nevoi. Prin pinii digitali 10 și 12 se setează viteza motorului A. Diferența dintre
cei doi pini o reprezintă direcția de deplasare (pin 10 – față , pin 12 – spate). Același
principiu este aplicat și pentru motorul B(pin 11 – deplasare față, pin 13 – deplasare
spate).

39 CAPITOLUL 4: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI HARDWARE
Având în vedere ca motoarele de curent continuu au și funcție de generator de
energie electrică, prin învârtirea manuală a celor două roți legate de ele,există riscul să
ajungă la driver curent și astfel să perturbe funcționarea acestuia. Pentru a împiedica
acest fapt, pe plăcuța cu driverul de motoare am ma i legat in serie câte 4 diode, care au
rolul de a stopa curentul generat de motoare. Împreună cu acestea, dar în sens invers,
întrea alimentare și driverul de motoare, mai sunt legate în serie doua rezistențe
electrice și în paralel două condensatoare, cu rolul de a furniza driverului o tensiune de
5V.
4.4.2 Arduino UNO

Dispozitivul Arduino UNO este dezvoltat de compania Arduino, o companie open
source ce produce atât componente hardware, cât și componente software.
Dispozitivele Arduino sunt plăcuțe de d ezvoltare cu microcontrollere integrate și alte
componente, prin care îi asigură utilizatorului suficiente modalități de interfațare și
comunicație cu alte dispozitive senzoriale sau de control. În funcție de necesități,
plăcuțele de dezvoltare Arduino su portă mai multe tipuri de microcontrollere și alte
dispozitive.

Figura 4.11 Placă dezvoltare Arduino UNO

40 CAPITOLUL 4: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI HARDWARE

Plăcuța de dezvoltare Arduino UNO dispune de un microcontroller ATMega328P
cu o arhitectură pe 8 biți, porturi intrări și ieșiri, un oscilator cu o frecvență de 16MHz,
memorie tip EEPROM de 1Kb, memorie RAM de 2Kb și o memorie flash, pentru
program, de 32K b. De asemenea dispune de mai multe posibilități de alimentare cu
tensiune diferită, printre care tensiune de 5V, 3.3V sau mufă de alimentare cu 7V -12V,
leduri de activitate, buton RESET, port USB pentru scriere programului pe memoria
flash și altele.
Porturile input/output sunt reprezentate de 14 pini digitali, dintre care 6 pot fi ieșiri
cu PWM(power width modulation) și 6 pini analogici, care pot fi folosiți ca intrări pentru
convertorul încorporat analog -digital, ce funcționează pe 10 biți. Dintre ace ști pini, pinii
digitali 2 -9 sunt folosiți ca pini de intrare, pe care se citesc valorile venite de la senzori.
Pe baza lor se calculează o valoare generală, pe care o vom folosi ca valoare de
referință în urmărirea liniei negre. Pinii digitali 10 -13 și an alogici A0 -A1 sunt folosiți ca
pini de ieșire, utilizați în transmiterea vitezei la driver -ul de motoare și la oprirea/pornirea
acestora.
Plăcuța dispune și de pini speciali, dintre care:
• Pinii TX/RX utilizați în comunicația seriala USART(Universal Serial
Asynchronous Receiver/Transmitter), reprezintă pinii folosiți pentru transmisia,
respectiv recepția datelor asincrone prin protocolul TTL(transistor -transistor
logic);
• Pinul AREF(Analog Reference) este utilizat de convertorul analog -digital pentru
determin area tensiunii de referință al intrărilor analogice;
• Pinul IOREF(I/O Reference) este utilizat pentru determinarea tensiunii de
referință al intrărilor digitale;
• Pinul fara label nu este folosit și nici conectat cu restul componentelor din cadrul
plăcuței Arduino UNO.
Pulse width modulation este o tehnică de variație controlată a tensiunii aplicată
unui dispozitiv electronic. Semnalul emis este cunoscut sub numele de semnal PWM.
Pentru a obține această variație, se schimbă rapid tensiunea aplicată dispozit ivului prin
opriri și porniri – trecere din ON în OFF și viceversasa sau treceri din HIGH în LOW. În
acest caz, aplicarea unei tensiuni de 5V reprezintă HIGH, iar 0V reprezintă LOW.
Perioada de timp în care are loc această variație se numește factor de ump lere și
reprezintă procentul din tensiunea maximă posibilă aplicabilă dispozitivul electronic într –
o perioadă de timp. Acest procent se obține astfel:
Procent = timpHIGH(timpHIGH + timpLOW)*100;

41 CAPITOLUL 4: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI HARDWARE
Procent=puls/perioadă*100;

Figura 4.12 Semnal PWM

În această lucrare un astfel de semnal este folosit pentru setarea vitezei, prin
controlul turației motorului. Când factorul de umplere este 0%, vom avea turație 0, iar
când este 100%, motoarele vor funcționa la capacit ate maximă (în acest caz pulsul este
egal cu factorul de umplere).
În următoarea figură se poate observa o schemă generală a sistemului informatic
folosit în această lucrare și robotul fizic.

Figura 4.13 Schema generală

42 CAPITOLUL 5: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI SOFTWARE

Figura 4.14 Sistemul informatic prezentat

CAPITOLUL 5: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI SOFTWARE

Implementarea soluției software constă în crearea unui program în mediul de
dezvoltare arduino care să poată fi încărcat pe plăcuța de dezvoltare, să ”traducă”
informațiile preluate de la senzori și să comande mișcările robotului. Prin componenta
Arduino UNO se controlează puterea transferată la motoare folosindu -se pini ce
transm it semnal PWM, astfel încât robotul să fie capabil să vireze.

43 CAPITOLUL 5: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI SOFTWARE
5.1 Mediul de dezvoltare Arduino

Arduino pune la dispoziția dezvoltatorilor, pe lângă plăci de dezvoltare fizice, și o
platformă de dezvoltare software, Arduino IDE, bazată pe limbajul C și C++.
Programele scrise în acest IDE se pot încărca pe plăcuța Arduino printr -o conexiune
USB între placă și calculator.
Programele scrise în IDE -ul Arduino poartă numele de ”sketch” și sunt formate
din două funcții principale:
void setup() {
// instrucțiuni de setare, se rulează o singură dată la pornire
}

void loop() {
// instrucțiuni de execuție în buclă, se rulează în mod repetat până la oprirea //
alimentării sistemului cu energie
}
Înainte de scrierea programului propriu zis, o parte impor tantă o reprezintă
configurarea board -ului și al portului de comunicare. Un exemplu se poate observa în
figura următoare:

Figura 5.1 Configurare Arduino IDE
După această configurare, se poate trece la scrierea programului propriu zis.
Principalele componente al mediului de dezvoltare sunt reprezentate de:
• O bară cu butoane, care ne permite sa compilăm codul, să îl încărcăm pe
plăcuță și alte butoane uzuale, de deschidere, salvare și sketch nou;
• O zonă î n care se scrie programul propriu zis;

44 CAPITOLUL 5: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI SOFTWARE
• O zonă cu mesage informative și de eroare;

Figura 5.2 Exemplu program Arduino IDE

După încărcarea programului propriu zis, avem posibilitatea să facem debug, în
cazul în care este nevoie, prin folosirea utilitarului ”Serial monitor”. Pentru aceasta, este
nevoie de o conexiune directă între calculator și plăcuța de dezvoltare.
În exemplul de mai jos se poate observa, din lucrarea curentă, mesaje primite în
timpul e xecutării funcției loop:

45 CAPITOLUL 5: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI SOFTWARE

Figura 5.3 Serial monitor

5.2 Librăria QTRSensors.h

O altă utilitate importană în cadrul unui IDE este posibilitatea importării unui cod
extern, care să poată fi utilizat în crearea unui program noi. Astfel de programe externe
poartă denumirea de librării. În cadrul acestei lucrări am nevoie de o modalitate prin
care să citesc valorile primite de la senzori, astfel încât să pot controla robotul. Pentru
aceasta am importat o librărie extern ă, pusă la dispoziție de dezvoltatorul senzorilor
reflectivi.

46 CAPITOLUL 5: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI SOFTWARE

Figura 5.4 Librăria QTRSensors
Codul de inițializare unde este folosită librăria:
#define MIDDLE_SENSOR 5 //number of middle sensor used
#define NUM_SENSORS 8 //number of sensors used
#define TIMEOUT 2500 //waits for 2500 us for sensor outputs to go low
#define EMITTER_PIN QTR_NO_EMITTER_PIN //emitterPin este pinul cu care se controleaza IR LED..nu il folosesc
#define DEBUG 0
QTRSensorsRC qtrrc((unsigned char[]) { 9,8,7,6,5,4,3,2 } ,NUM_SENSORS, TIMEOUT, EMITTER_PIN); // initializare
senzori aferenti pinilor
De asemenea, librăria este folosită și pentru calibrabrea senzorilor, prin folosirea
funcțiilor predefinite calibrate() , calibrateMinimumOn() și calibrateMaximumOn().

5.3 Algoritmul implementat

Algoritmul a fost creat în mediul de dezvoltare Arduino, versiunea 1.8.6. Pentru
implementarea lui am folosit o serie de funcții de setare, executate o singură dată l a
pornire și o serie de funcții repetitive, executate constant până la oprirea alimentării cu
energie.
Robotul este programat să urmărească linia neagră, iar dacă ajunge într -o
intersecție, am folosit următoarea abordare pentru a lua o decizie:
1. Dacă poți vira stânga, virează stânga
2. Altfel, dacă poți merge în față, mergi în față
3. Altfel, dacă poți vira dreapta, virează dreapta

47 CAPITOLUL 5: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI SOFTWARE
4. Altfel întoarce, pentru că ai ajuns într -un punct mort
De asemenea, robotul este programat să rețină traseul parcurs și să îl reducă,
astfel încât, în momentul în care îl parcurge din nou, să ia decizia corectă la fiecare
intersecție. În luarea deciziei corecte, bazându -mă pe regulile de selecție de mai sus,
am stabilit și regulile de decizie la reparcurgerea traseului, astfel:
LBL = S // este înlocuit in rezolvarea maze -ului cu S
LBR = B // este înlocuit in rezolvarea maze -ului cu B
LBS = R // este înlocuit in rezolvarea maze -ului cu R
SBL = R // este înlocuit in rezolvarea maze -ului cu R
SBS = B // este înlocuit in rezolvarea maze -ului cu B
RBL = B // este înlocuit in rezolvarea maze -ului cu B
De exemplu, dacă a găsit stânga și în față, a virat stânga(L). A ajuns într -un punct mort,
deci trebuie să se întoarcă(B). A ajuns în aceeași intersecție, unde a găsit de data
aceasta stânga și în dreapta. Conform algoritmului, va face stânga(L). La reparcurgere,
LBL este tradus în S, adică se va știi că la stânga este un punct mort și va merge
înainte.
Detaliile legate de pini i de intrare și alte constante a căror valoare nu s e modifică
în timpul execuției, le -am inițializat în startul programului. Pentru setarea variabilelor ce
se modifică o dată cu parcurgerea traseului, am folosit funcții de inițializare al căror
parametrii se referă la valoarea variabilelor. Unele dintre ac este funcții sunt apelate în
funcția principală setup() , dar și în loop() sau în alte funcții:
• manual_calibration() – această funcție este apelată o singură dată și scopul ei
este calibrarea senzorilor;

• set_motors() – este folosită la setarea vitezei moto arelor din stânga și dreapta.
Această funcție verifică de asemnea ca viteza sa fie încadrată între anumite
limite
1. Dacă viteza>255, atunci viteza=255
2. Altfel, dacă viteza<150, atunci viteza=150
3. Altfel viteza=parametrul primit

• select_turn() – returnează un anumit caracter, în funcție de decizia luată la
întâlnirea unei intersecții :

1. Dacă am găsit stânga, atunci L
2. Altfel dacă am găsit în față, atunci R
3. Altfel dacă am găsit dreapta, atunci R

48 CAPITOLUL 5: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI S OFTWARE
4. Altfel dacă trebuie să mă întorc, atunci B
5. Altfel dacă am ajuns la final, atunci F

• turn() – setează viteza motoarelor necesară pentru a vira în funcție de setarea
făcută în funcția select_turn() ;

• line_follow() – este una dintre cele mai importante funcții din cadrul programului
și scopul sau este urmărirea liniei. Pentru a face robotul să urmărească linia, am
implementat un regulator liniar de tip PID.
Regulatorul automat reprezintă principalul element din cadr ul unui dispozitiv
automat. Acesta îi permite dispozitivului să își regleze modul de funcționare o
dată cu modificarea parametrilor de intrare. O schemă reprezentativă pentru un
regulator automat se poate vedea în figura de mai jos.
Figura 5. 5 Regulator automat

Regulatorul liniar PID(Proporțional -Integral -Derivativ) asigură performațe de
reglare ridicate, acesta fiind și motivul pentru care l -am ales, deși pentru
realizarea proiectului era de ajuns un regulator PD(Proporțional -Derivativ).
Formula de calcul al comenzii aplicate este:
𝑢(𝑡)=𝐾𝑟[𝑒(𝑡)+1
𝑇𝑖∫𝑒(𝑡)+𝑇𝑑𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡]
unde:
𝑢(𝑡) – comada aplicată
𝐾𝑟 – factorul de amplificaren al regulatorului

49 CAPITOLUL 5: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI SOFTWARE
𝑒(𝑡) – eroarea calculată
𝑇𝑖 – factorul de amplificare integral
𝑇𝑑 – factorul de amplificare derivativ
Momentan nu există nicio metodă matematică prin care s -ar putea obține factorii
de amplificare, deoare ce sistemul este prea complex pentru a putea fi modelat
matematic. Pentru obținerea valorilor, se folosesc metode de determinare
experimentale. Dintre aceste metode cea mai cunoscută este metoda Ziegler –
Nichols, dar și Cohen Coon sau estimarea manuală pur și simplu.
O reprezentare grafică a acestui tip de regulator se poate observa în figura
următoare:

Figura 5. 6 Regulator automat de tip PID
În cadrul proiectului, am setat ca referință o valoare primită de la senzori după
calibrare, ce indică faptul că robotul are senzorii din mijloc deasupra liniei negre.
Aceasta Apoi, am aplicat următoarea formulă de calcul:
𝑒𝑟(𝑡)=0
𝑒(𝑡)= 𝑒𝑟(𝑡)
// buclă continuă până întâlnește o intersecție
𝑢(𝑡)= 𝐾𝑖[𝐾𝑝∗𝑒(𝑡) + 𝐾𝑑(𝑒(𝑡)− 𝑒𝑖(𝑡))]
𝑒𝑖(𝑡)=𝑒(𝑡)
𝑣𝑖𝑡𝑒𝑧 ă𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝑆𝑡 â𝑛𝑔𝑎 = 𝑣𝑖𝑡𝑒𝑧 ă𝐼𝑛𝑖ț𝑖𝑎𝑙ă+𝑢(𝑡)

50 CAPITOLUL 5: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI SOFTWARE
𝑣𝑖𝑡𝑒𝑧 ă𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝐷𝑟𝑒𝑎𝑝𝑡𝑎 = 𝑣𝑖𝑡𝑒𝑧 ă𝐼𝑛𝑖ț𝑖𝑎𝑙ă− 𝑢(𝑡)
// încheiere buclă
unde:
𝑒(𝑡) – poziția robotului
𝑒𝑖(𝑡) – valoarea de referință
𝑒𝑖(𝑡) – ultima poziție a robotului, înainte de aplicarea comenzii
𝐾𝑖 ,𝐾𝑝 ,𝐾𝑑 – factori de amplificare
Comanda primită de motoare poate fi atât negativă, cât și pozitivă. Astfel se
permite virarea în orice direcție.
• reduceThePath() – în timpul funcționării, de fiecare dată când întâlnește o
intersecție, conform algoritmului, robotul va vira stânga(L), va merge în față(S),
va vira dreapta(R) sau se va întoarce(B). Aceste mișcări le păstrez într -un array,
iar pentru a rezo lva maze -ul, în această funcție verific constant ultimele trei
elemente din array. Dacă, conform regulilor definite, ultimele trei elemente pot fi
modificate, le modific. În acest fel, la reparcurgere, robotul va știi ce să facă în
momentul întâlnirii inte rsecțiilor.
• solveMaze() – la reparcurgere, robotul va aplica mișcarea definită în array de
fiecare dată când va întâlni o intersecție, atâta timp cât nu se află la final.
• setup() – folosesc această funcție pentru calibrarea robotului doar.
• loop() – aceasta fiind funcția care se execută constant, încep prin apelarea
funcției line_follow() . Apoi fac verificările aferente în cazul găsirii unei intersecții,
robotul virează conform regulilor definite, se scrie și se reduce array -ul care
definiște traseu l optim, ca la final, după ce robotul a ajuns la capăt, să apelez
funcția solve_maze() , ce va face parcurgerea optimă.

Pentru implementarea întregului algoritm, am început prin testarea funcțiilor de
setare și prin verificarea că toate elementele element ele funcționează corespunzător.
Am continuat apoi prin a determina robotul să urmărească linia neagră. Aici a fost
nevoie de implementarea regulatorului. Pentru determinarea valorilor optime al factorilor
de amplificare, am folosit metoda Ziegler -Nichols, metodă ce se bazează pe setarea
diferitelor valori pentru constante și experimentarea comportamentului, începând cu cea
proporțională, apoi derivativă și integrală. Astfel, am început doar prin implementarea

51 CAPITOLUL 5: IMPLEMENTAREA SOLUȚIEI SOFTWARE
unui regulator proporțional, setând cu 0 factori i integral și derivativ. Am observat
următorul comportament:
• Am avut oscilații ample în mișcarea robotului și ieșirea de pe traseu la valori
ridicate ale constantei 𝐾𝑝 . Am setat într -un final 𝐾𝑝=1, unde oscilațiile erau
relativ bune.
• Am continuat cu setarea 𝐾𝑑 la valori mici, fără modficări mari în oscilații. Am
crescut apoi la valori mai mari, unde oscilațiile au început să fie mai intense. Am
setat într-un final 𝐾𝑑=2, unde oscilațiile erau scăzute.
• Deși robotul funcționa cu un re gulator PD, am observat o îmbunătățire la
aplicarea 𝐾𝑖. Am setat astfel într-un final 𝐾𝑖=2.
Am continuat apoi cu implementarea comportamentului de virare, întoarcere și oprire,
scrierea vectorului cu mișcări, iar într -un final prin implementarea algori tmului de
urmărire al traseului optim.
După numeroase experimente, robotul a fost capabil să își îndeplinească scopul
și a urmat traseul optim la o viteză medie.

52 CONCLUZII

CONCLUZII

Robotul reușește să îndeplinească sarcinile atribuite, la o viteză medie. Are o
precizie mai ridicată la o viteză mai mică, iar la viteză ridicată are momente când se
pierde controlul. Acestea apar din cauza informațiilor primite de la senzori, fiind
depen denți de lumină și de distanța dintre ei și mediu, dar și de la timpul de calcul al
comenzii ce trebuie aplicată.
Principalele limitări sunt legate de durata de viață a bateriilor care este destul de
scurtă, iar pierderea în intensitate se răsfrânge vizib il asupra modului de funcționare a
robotului. O altă limitare o reprezintă dependența senzorilor de un factor extern și
anume lumina din mediul în care robotul acționează.
Principalele îmbunătățiri ce se pot face sunt atât de natură hardware cât și
softwa re. Pentru a limita dependența de lumina din mediul extern, senzorii pot fi aplicați
pe cadrul robotului, astfel încât distanța dintre ei și traseu să fie cât mai mică. Din punct
de vedere software, se pot modifica factorii de amplificare astfel încât prec izia la viteze
ridicate să fie mai bună.
Aplicațiile practice în care ansamblul de față poate fi folosit, în urma aplicării unor
îmbunătățiri, având în vedere că este capabil să determine un spațiu și să găsească
traseul optim între două puncte, sunt în g eneral de natură de explorare. Astfel de roboți
pot fi folosiți în aplicații militare sau de explorare al spațiului, dar pot fi folosiți și în
aplicații industriale, pentru a căra diferite obiecte pe un traseu stabilit.

53 ANEXE
ANEXE

Diagrama pinilor Arduino

54 ANEXE

Schema electrică a plăcuței Arduino UNO

55 ANEXE
Cod sursă arduino
/*******************************************************************************
* Author: Dinca Marius Catalin *
* Board: Arduino UNO R3 *
* Platform: Windows 10 *
* Year: 2019 *
* Project: Licenta – Proiectarea unui robot autonom cu posibilități de recunoaștere a traseului *
* Setup: *
* # Driver motoare pinout: *
* – input1(A) –> pin 11 (galben(in) verde(out)) *
* – input2(A) –> pin 13 (galben(in) verde(out)) *
* – Enable Dreapta(A) –> pin 12 (ver de) *
* – input3(B) –> pin 10 (verde (in) albastru(out)) *
* – input4(B) –> pin 12 (verde (in) albastru(out)) *
* – Enable Stanga(B) –> pin 13 (albastru) *
* # Senzor array 1,2,3,4,5,6,7,8 pinout *
* – pini arduino 9,8,7,6,5,4,3,2 *
* Descriere: *
* Prin codul de mai jos un sistem inform atic poate parcuge un traseu, delimitat printr -o linie *
* neagra, de două ori. Prima parcurgere o reprezintă ”învățarea traseului”, iar cea de -a doua *
* va fi parcurgerea optimă a aceluiași traseu. *
*******************************************************************************/
#include <QTRSensors.h > //Pololu QTR Sensor Library

int dir_a = A0; //enable A on analog pin A0 (Left motor – roata st anga)
int dir_b = A1; // enable B on analog pin A1 (Right motor – roata dreapta)
int pwm_a = 10; //viteza motor stanga (Left motor – mers inainte)
int pwm_aa = 12; //viteza motor stanga (Left motor – mers inapoi)
int pwm_b = 11; //viteza motor dreapta (Right motor – mers ina inte)
int pwm_bb = 13; //viteza motor dreapta (Right motor – mers inapoi)
pinMode (A0,OUTPUT ); // setare pin analog pentru enable A
pinMode (A1,OUTPUT ); // setare pin analog pentru enable B

#define KP 1 //experiment pentru a determina valoarea cea mai buna pentru PID
#define KD 2 // experiment pentru a determina valoarea cea mai buna pentru PID ( Note: Kp < Kd)
#define KI 2 // experiment pentru a determina valoarea cea mai buna pentru PID
#define minim_speed 150 //minimum speed of the motors
#define maxim_speed 255 //max. speed of the motors

#define NUM_SENSORS 8 //number of sensors used
#define TIMEOUT 2500 //waits for 2500 us for sensor outputs to go low
#define EMITTER_PIN QTR_NO_E MITTER_PIN //emitterPin este pinul cu care se controleaza IR LED
#define DEBUG 0

QTRSensorsRC qtrrc(( unsigned char []) { 9,8,7,6,5,4,3,2 } ,NUM_SENSORS, TIMEOUT, EMITTER_PIN);
unsigned int sensorValues[NUM_SENSORS];

int turnSpeed = 140; // tunare viteza motoare la gasirea unei intersecti (0 -255)
int turnSpeedSlow = 140; // tunare viteza motoare la gasirea unei intersecti (0 -255)
unsigned int line_position=0;
float lastError = 0;
char path[] ="";

56 ANEXE

/**************** Functia setup ******************/
void setup (){
Serial.begin (9600);
Serial.println ("start calibration! ");
delay (1000);
manual_calibration();
set_motors(0,0);
} // end setup

/************Functia de calibrare ********** *****/
void manual_calibration() {
for ( int i = 0; i < 250; i++){
qtrrc. calibrate ();
delay (20);
}
for (int i = 0; i < NUM_SENSORS; i++) {
Serial.print (qtrrc. calibratedMinimumOn [i]);
Serial.print (' ');
}
Serial.println ();

for (int i = 0; i < NUM_SENSORS; i++) {
Serial.print (qtrrc. calibra tedMaximumOn [i]);
Serial.print (' ');
}
Serial.println ();
Serial.println ();
} // end manual_calibration

/******* Functia de setare viteza************/
void set_motors( int motor1speed, int motor2speed){
if (motor1speed > 0) {
if (motor1speed > maxim_speed ) motor1speed = maxim_speed;
if (motor1speed < minim_speed ) motor1speed = minim_speed;
digitalWrite (dir_a, HIGH );
analogWrite (pwm_a, motor1speed);
analogWrite (pwm_aa, 0);
}
else if (motor1speed < 0) {
if (motor1speed < -(maxim_speed) ) motor1speed = -(maxim_speed);
digitalWrite (dir_a, HIGH );
analogWrite (pwm_aa, 0);
analogWrite (pwm_a, minim_speed);
}

if (motor2speed > 0) {
if (motor2speed > maxim_speed ) motor2speed = maxim_speed;
if (motor2speed < minim_speed ) motor2speed = minim_speed;
digitalWrite (dir_b, HIGH );
analogWrite (pwm_b, motor2speed);
analogWrite (pwm_bb, 0);

57 ANEXE
}
else if (motor2speed < 0){
if (motor2speed < -(maxim _speed) ) motor2speed = -(maxim_speed);
digitalWrite (dir_b, HIGH );
analogWrite (pwm_bb, 0);
analogWrite (pwm_b, minim_speed);
}

if (motor1speed == 0 ){
digitalWrite (dir_a, LOW );
analogWrite (pwm_a, 0);
analogWrite (pwm_aa, 0);
}

if (motor2speed == 0 ){
digitalWrite (dir_b, LOW );
analogWrite (pwm_b, 0);
analogWrite (pwm_bb, 0);
}
} // end set_motors

/******* Functia de urmarire linie************/
void line_follow(){
unsigned int sensors[8];
int line_position = qtrrc. readLine (sensors); //line position dupa calibrare senzori
float error = line_position/100 – 36; // din cauza limitarii vitezelor

float aux2 = KP * error + KD * (error – lastError);
int motorSpeed = round (aux2*KI);
lastError = error;
int leftMotorSpeed = minim_speed + motorSpeed;
int rightMotorSpeed = minim_speed – motorSpeed;

set_motors(leftMotorSpeed, rightMotorSpeed);
delay (100);
set_motors(0,0);
} // end line_fllow

/******* Functia de selectare directie in intersectie ************/
// L -> LEFT , intoarcere la stanga 90 grade
// S -> STRAIGHT , nu face nimic, merge inainte
// R -> RIGHT , intoarcere la dreapta 90 grade
// B -> BACK/UTURN , intoarcere 180 grade
// F -> FINISH , a ajuns la final
char select_turn( unsigned char found_left, unsigned char found_straight, unsigned char found_right, unsigned
char uTurn, unsigned char finish) {
if(found_left) return 'L';
else if(found_straight) return 'S';
else if(found_right) return 'R';
else if(uTurn) return 'B';
else if(finish) return 'F';

} // end select_turn

58 ANEXE

/******* Functia de virare in intersectie ************/
void turn( char directie){
int i = strlen (path);
if (directie == "L" || directie == "R" || directie == "B"){
path[i] = directie;
}
switch (directie){
case 'L':
digitalWrite (dir_a, HIGH );
digitalWrite (dir_b, LOW );
analogWrite (pwm_a, turnSpeedSlow) ;
analogWrite (pwm_aa, 0);
line_position = qtrrc. readLine (sensorValues);

while (sensorValues[0] > 150) {
line_position = qtrrc. readLine (sensorValues);
}
while (line_position < 3600 ) {
line_position = qtrrc. readLine (sensorValues);
}
set_motors(0,0);
break ;

case 'R':
digitalWrite (dir_a, LOW );
digitalWrite (dir_b, HIGH );
analogWrite (pwm_b, turnSpeedSlow);
analogWrite (pwm_bb, 0);
line_position = qtrrc. readLine (sensorValues);

while (sensorValues[7] > 150) {
line_position = qtrrc. readLine (sensorValues);
}
while (line_posit ion < 3100){
line_position = qtrrc. readLine (sensorValues);
}

set_motors(0,0);
break ;
case 'B':
digitalWrite (dir_a, HIGH );
digitalWrite (dir_b, HIGH );
analogWrite (pwm_a, turnSpeedSlow);
analogWrite (pwm_aa, 0);
analogWrite (pwm_b, 0);
analogWrite (pwm_bb, turnSpeedSlow);
while (line_position < 3200) {
line_position = qtrrc. readLine (sensorValues);
}
set_motors(0,0);
break ;

59 ANEXE
case 'S': // do nothing, just follow line
break ;

case 'F':
digitalWrite (dir_a, LOW );
digitalWrite (dir_b, LOW );
analogWrite (pwm_a, 0);
analogWrite (pwm_aa, 0);
analogWrite (pwm_b, 0);
analogWrite (pwm_bb, 0);
set_motors(0,0);
break ;
}
} // end turn

/******* Functia de reducere traseu la cel optim ************/
char * reduceThePath( char * path){
/* Reguli reducere path
LBL = S
LBR = B
LBS = R
SBL = R
SBS = B
RBL = B
*/
int sizePath = strlen (path);
String checkString;

for (int i = sizePath -3; i<sizePath; i++ ){
checkString += path[i];
}

if (checkString == "LBL") {
path[sizePath -1] = ' \0';
path[sizePath -2] = ' \0';
path[sizePath -3] = "S";
}
if (checkString == "LBR") {
path[sizePath -1] = ' \0';
path[sizePath -2] = ' \0';
path[ sizePath -3] = "B";
}
if (checkString == "LBS") {
path[sizePath -1] = ' \0';
path[sizePath -2] = ' \0';
path[sizePath -3] = "R";
}
if (checkString == "SBL") {
path[sizePath -1] = ' \0';
path[sizePath -2] = ' \0';
path[sizePath -3] = "R";
}
if (checkString == "SBS") {

60 ANEXE
path[sizePath -1] = ' \0';
path[sizePath -2] = ' \0';
path[sizePath -3] = "B";
}
if (checkString == "RBL") {
path[sizePath -1] = ' \0';
path[sizePath -2] = ' \0';
path[sizePath -3] = "B";
}
Serial.print ("Sunt in reducePath si stringul verificat este ==> ");
Serial.println (checkString);
return path;
} // end reduceThePath

/******* Functia reparcurgere traseu optim ************/
void solveMaze( char * path){
Serial.println ( "Am ajuns la rezolvarea maze -ului" );
int i = 0;
while (i < strlen (path) && (sensorValues[0] < 2200 && sensorValues[7] < 2200)){
line_follow();
// daca a gasit o intersectie
if (sensorValues[0] >= 100 || sensorValues[7] >= 100) {
turn(path[i]);
i++;
}
}
Serial.println ( "Am ajuns la final, am rezolvat maze -ul.." );
set_motors(0,0);
delay (100000); // stau 100 secunde
} // end solveMaze

/******* Functia loop ************/
void loop (){
line_follow();
unsigned char found_left = 0;
unsigned char found_straight = 1;
unsigned char found_right = 0;
unsigned char uTurn = 0;
unsigned char finish = 0;

line_position = qtrrc. readLine (sensorValues);

// daca senzor dreapta a detectat negru, verificare fata apoi dreapta
if(sensorValues[0] >= 100){
set_motors(150,150);
delay (100);
set_motors(0,0);
//verific daca se poate merge in fata , daca da, line_follow()
if (sensorValues[1] < 150 &&
sensorValues[2] < 150 && sensorValues[3] < 150 &&
sensorValues[4] < 150 && senso rValues[5] < 150 &&

61 ANEXE
sensorValues[6] < 150){
set_motors( -150, -150);
delay (100);
set_motors(0,0);
found_right = 1;
found_straight=0;
uTurn=0;
found_left=0;
finish = 0;
delay (1000);
}
else line_follow();
}

// senzor stanga a detectat negru, virare stanga
if(sensorValues[7] >= 100){
set_motors(0,0);
found_left = 1;
found_straight=0;
found_right=0;
uTurn=0;
finish = 0;
delay (1000);
}
// senzori mijloc au detectat alb, uTurn
if(sensorValues[1] < 150 &&
sensorValues[2] < 150 && sensorValues[3] < 150 &&
sensorValues[4] < 150 && sensorValues[5] < 150 &&
sensorValues[6] < 150){
set_motors(0,0);
uTurn = 1;
found_straight=0;
found_right=0;
found_left=0;
finish = 0;
delay (1000);
}

// toti senzorii au detectat negru, verific daca e intersectie, altfel – STOP
if(sensorValues[0] > 2200 && sensorValues[7] > 2200){
set_motors(150,150);
delay (100);
set_motors(0,0);

if(sensorValues[0] > 2200 && sensorValues[7] > 2200){
uTurn = 0;
found_straight=0;
found_right=0;
found_left=0;
finish = 1;
delay (1000);
}
else{ // este de fapt intersectie, asa ca LEFT

62 ANEXE
set_motors( -150, -150);
delay (100);
set_moto rs(0,0);
found_left = 1;
found_straight=0;
found_right=0;
uTurn=0;
finish = 0;
delay (1000);
}
}

char directie = select_turn(found_left, found_straight, found_right, uTurn, finish);
turn(directie);

if (strlen (path) >= 3) {
reduceThePath(path);
}

if (finish){
Serial.println ("Am ajuns la final. Astept 5 secunde pentru repozitionare..");
delay (5000);
solveMaze(path);
}
Serial.println ("~~~~~~~~~~~~~~~~END oF LOOP~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~");
}

63 BIBLIOGRAFIE
BIBLIOGRAFIE

Dumitrache Ioan, 2005 – Implementarea numerică a algoritmilor de reglare . Ingineria
Reglării Automate. Editura Politehnica Press. p agina 618- 718
Jorge Angeles – Fundamental of Robotic Mechanical Systems – Theory, Methods and
Algorithms
Isaac Asimov, 1942 – Runaround
Isaac Asimov – I, Robot
John Chiasson, 2005 – Modeling and High -Performance Control of Electric Machines ,
pagina 3 -23, 31 -44
B.D. Bedford , 1964 – Principles of Inverter Circuits , pagina 325 -390
John David Warren, Josh Adams and Harald Molle – Arduino Robotics
J. M. Hughes – Arduino, A Technical Reference
Jeremy Blum – Exploring Arduino
Gunther Gridling, Bet tina Weiss , 2007 – Introduction to Microcontrollers

Resurse internet :

http://studii.crifst.ro/doc/2016/2016_05_04.pdf
http://www.robothalloffame.org/inductees/03inductees/unimate.htm l
https://www.pololu.com/docs/pdf/0J12/QTR -8x.pdf
https://www.arduino.cc/en/guide/introduction
https://www.arduino.cc/reference/en/
https://barrgroup.com/Embedded -Systems/How -To/PWM -Pulse -Width -Modulation