Specializarea: MECATRONICĂ [301659]

UNIVERSITATEA ,,LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

Specializarea: MECATRONICĂ

LUCRARE DE DIPLOMĂ

Coordonator științific:

Prof. Univ. Dr. Ing. Radu Eugen BREAZ

Absolvent: [anonimizat], 2016

UNIVERSITATEA ,,LUCIAN BLAGA” SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

Specializarea: MECATRONICĂ

Studiul și proiectarea unui robot line follower

Coordonator științific:

Prof. Univ. Dr. Ing. Radu Eugen BREAZ

Absolvent: [anonimizat], 2016

Cuprins

1 Introducere

Conceptul de ”Mecatronica”

Termenul “Mecatronică” a fost proiectat în 1969 de un inginer al firmei japoneze Yaskawa Electric și protejat până în 1982 ca semn a acestei firme. Se referea inițial la completarea structurilor mecanice din construcția aparatelor cu componente electronice(Mecatronica).

În prezent termenul definește o [anonimizat], bazându-se pe îmbinarea armonioasă a [anonimizat], își propune să îmbunătățească performanțele și funcționalitatea sistemelor tehnice.

[anonimizat].[anonimizat]-[anonimizat], [anonimizat], roboții, [anonimizat]., sunt doar câteva exemple de produse mecatronice. Practic, mecatronica este prezentă în toate domeniile de activitate.

Mecatronica s-a născut ca tehnologie și a devenit foarte curând filosofie care s-a [anonimizat](Mecatronica). Apariția mecatronicii este rezultatul firesc al evoluției în dezvoltarea tehnologică. Această evoluție este sugestiv evidențiată în figura 1.2.

Coloana vertebrală a mecatronicii o [anonimizat] s-a dezvoltat către mecanizare. [anonimizat], [anonimizat], au permis includerea electronicii în structurile mecanice. Se realizează astfel primul pas către integrare: integrarea electromecanică.

Următorul pas în integrare a fost determinat de apariția microprocesoarelor. [anonimizat]. Astfel, acestea pot preleva informații privind atât starea externă, a mediului, [anonimizat].

[anonimizat] a fost inteleasa ca o completare a [anonimizat](Mecatronica).

[anonimizat]-a schimbat sensul si si-a extins aria de definitie: mecatronica a [anonimizat], electronicii si informaticii. [anonimizat](Mecatronica).

Totusi, mecatronica nu este acelasi lucru cu automatica sau cu automatizarea productiei. [anonimizat]. Mecatronica poate fi definita ca o conceptie novatoare a tehnicii de automatizare pentru nevoile ingineriei si educatiei(Mecatronica).

Conceptul de „Robotică”

Crearea de ființe artificiale care să execute operații similare cu cele executate de om a fost o idee prezentă în imaginația omenirii încă din cele mai vechi timpuri. Se spune despre Arhitas din Tarent (sec. V-VI î.e.n.) că ar fi construit un porumbel capabil să zboare. În secolul al XIII-lea Roger Bacon și Albert cel Mare au realizat un umanoid, care, la o atingere, putea deschidea ușași putea saluta prin înclinarea capului pe noul venit. În secolul al XV–lea, J.Müller a construit mai multe automate, printre care o muscă ce alerga în jurul mesei și un vultur așezat deasupra porțiicetățiiNürnberg care l-a salutat prin bătăi de aripi și înclinarea capului pe împăratul Maximilian sosit în oraș(scientia).

În secolul al XV- lea, Leonardo da Vinci a construit un automat în chip de leu care l-a întâmpinat pe Ludovic al XIII-lea la Milano, umblând prin sala tronului, oprindu-se la picioarele suveranului, după care și-a desfăcut pieptul cu labele, lăsând să cadă de acolo crini albi, emblema regilor Franței(scientia).

Denumirea ROBOT a fost introdusă de către scriitorul ceh Karl Capek în lucrarea sa ,,Roboții universali ai lui Rossum”,(1921), plecând de la cuvântul ROBOTA = muncă, activitate de rutină. Traducerea acesteia (1923) în engleză a consacrat denumirea de robot pe plan internațional.Scriitorul Issac Asimov în povestirea SF ,,Runaround” (1940) formulează cele trei legi ale roboților și folosește pentru prima dată cuvântul robotică (robotics) cu înțelesul de știința care se ocupă de studiul sistematic al roboților(Telea).

Robotica este acea parte a științei care se ocupă cu studiul operațiilor umanoide și se situează la frontiera mecanicii cu informatica, electrotehnica,electronica și știința sistemelor și calculatoarelor, termotehnică, hidraulică. Operațiile umanoide sunt operațiile efectuate de către om cu ajutorul brațelorși picioarelor coordonate de organele de simț.

Apariția roboților în epoca actuală poate fi justificată prin necesitatea adecvării omului la mediu, în scopul creșteriiproductivității, prin diminuarea efortului necesar realizării șicreștereacalității produselor. Inițialroboții erau folosiți în principiu pentru realizarea operațiilor de manipulare, operații care mai puteau fi realizate și cu ajutorul manipulatoarelor. Se dorește a nu se face confuzie între termenii de manipulatoare șiroboți pentru operații de manipulare deoarece ultimii amintiți au o structură mecanică mult mai complexă și sunt conduși după programe flexibile, iar primii menționați au o structură mecanică simplă și sunt conduși după programe rigide.

Robotica este așadar un domeniu multidisciplinar a cărui componență este evidențiată în Figura 1.3:

Realizarea unor instalații artificiale care să execute operații similare cu cele executate de om a fost o idee prezentată in imaginația omeniri din timpuri mai vechi(Telea).

Istoria roboților începe în anul 1940 cu realizarea manipulatoarelor sincrone pentru mișcarea unor recipiente radioactive din spații supuse iradierii; etapă ce a ținut până în jurul anilor 1960(Telea);

Perioada 1960-1980 este perioada de revoluție a roboților, printr-o diversitate și aplicabilitate fără precedent în domeniul industrial(Telea);

Perioada 1980-1990 – deceniul roboților industriali de generația I și II și robotizarea productiei (industrie și servicii) (Telea);

Începând din 1990 au apărut primii roboți inteligenți, etapă în dezvoltare și în momentul de față(Telea).

Trei tehnologii au fost cruciale pentru dezvoltarea roboticii:

Tehnologia servomecanismelor;

Tehnologia electronică;

Tehnica de calcul(Telea).

În 1985 Simon Nof, editorul lucrării ,,Handbook of Industrial Robotics”, formulează legile roboticii aplicate:

roboții trebuie să înlocuiasca oamenii în locurile de muncă periculoase pentru aceștia;

roboții trebuie să înlocuiască oamenii în activități pe care aceștia nu doresc să le facă;

roboții ar trebui să înlocuiască oamenii în activități pe care ei le fac mai eficient(Telea).

La început oamenii aveau o doză de neîncredere în aceste noi descoperiri tehnologice. În timp robotul a devenit tot mai cunoscut și tot mai apreciat pentru performanțele ridicate și pentru avantajele pe care le prezintă. Astăzi roboții sunt indispensabilifuncționăriisocietății umane a secolului XXI. Întâlniți atât în procesele de producție, cât și în alte arii de interes precum divertisment, transporturi, comunicații, medicină sau agricultură, roboțiiîmbunătățescperformanțele umane din punct de vedere cantitativ și calitativ. Mijloacele de transport moderne, aparatura electronică și electrocasnicăși mai tot ceea ce începe să ne marcheze stilul de viață vor devini automate, robotizate și autonome.

Următorul pas în noua evoluție industrială o să fie utilizarea roboților în toate domenile. Roboții vor ajunge la capacitatea de a imita orice acțiune a omului.(Figura. 1.4)

Deja există multe domenii în care roboții au luat locul oameniilor. Cei mai complexiroboți la ora actuală sunt cei folosiți de NASA la explorarea spațiului cosmic. Roboții umanoizi concepuți de NASA pentru viitoare misiuni spațiale vor fi cei mai bine antrenațiastronauțiși vor fi trimiși în acele zone care prezintă un risc deosebit pentru astronauții în carne și oase.

2. Studiu actual în domeniu

2.1 Ce este un robot?

2.1.1 Scurt istoric

Cuvântul robot provine din limba cehă (robota) și înseamnă rob sau muncitor. O definiție simplă a robotului și larg acceptată la ora actuală este următoarea: un robot este un sistem inteligent care interacționează cu mediul fizic înconjurător, prin intermediul unor senzori și a unor efectori. Prin prisma definiției de mai sus, s-ar putea spune că și omul este un robot. Și omul “interacționează” cu lumea înconjurătoare prin intermediul unor senzori și a unor efectori, reprezentate în lumea biologică de terminații nervoase, respectiv mușchii. Bineînțeles, diferența cea mai semnificativă între robot și om, este că robotul a fost creat de om, și nu invers(Rusu).

2.1.2 Concepte ale existenței roboților

Binecunoscutul autor de literatură Science Fiction, Isaac Asimov, a propus trei „legi ale roboticii” sau mai bine zis ale existenței unui robot(Nitulescu). Mai târziu acesta a adăugat încă o lege, numită legea zero. Cu toate că aceste legi au fost privite la început ca fiind o pură fic țiune, ele au fost preluate mai târziu atât de alți scriitori de Science Fiction cât și de oameni de știință, ca și principii de bază pentru existența unui robot. Astfel, Isaac Asimov este recunoscut de unii ca fiind printre oamenii care au pus bazele (fie ele pur abstracte) ale științei pe care astăzi o numim robotică. Legile existenței unui robot sunt:

Legea 0. Un robot nu are voie să provoace vreun rău umanității, sau prin inactivitate, să permită vreun rău umanității(Rusu).

Legea 1. Un robot nu are voie să rănească o persoană umană, sau să permită rănirea unei persoane umane prin inactivitatea acestuia, cu excepția cazului când această lege contravine cu vreo lege anterioară(Rusu).

Legea 2. Un robot trebuie să respecte toate ordinele date de o persoană umană, cu excepția acelor reguli care intră în conflict cu vreo lege anterioară(Rusu).

Legea 3. Un robot trebuie să-și protejeze propria existență atâta timp cât această activitate nu intră în conflict cu legile anterioare( Rusu).

2.1.3 Asemănări cu omul

Așa cum corpul uman are nevoie de anumite organe pentru a putea interacționa cu mediul înconjurător, precum și pentru a susține organismul în viață, așa și orice model de robot generalizat ar trebui să conțină cât mai multe elemente de natură mecanică sau electrică, care să execute cât mai multe funcții. O prezentare sumară a unor asemănări între “caracteristicile” unei personae umane și ale unui model de robot, este redată în tabelul următor.

2.1.4. Mod de interacțiune

Modul de interacțiune clasic al unui robot constă din trei pași, lineari, repetitivi(Stan):

robotul „simte” mediul înconjurător, adica primește informații despre mediu prin senzorii lui;

robotul planifică ce să facă în continuare, construind un model al lumii înconjurătoare, bineînțeles luând în calcul atât obiectivele pe termen scurt (un exemplu ar fi detectarea unui obstacol) cât și obiectivele pe termen lung (spre exemplu să ajungă dintr-un anumit punct într-un alt punct stabilit din mediu);

robotul își pune în aplicare planul prin intermediul efectorilor;

Acest model a fost predominant în timpul anilor ’80. Odată cu simplitatea oferită de acest model, intervin și anumite probleme care trebuie luate în calcul. Una din aceste probleme este faptul că rigiditatea acestui model îl face foarte lent. La fiecare iterație a acestui algoritm, trebuie realizate toate operațiile din nou, și anume: citirea senzorilor, modelarea lumii înconjurătoare, planificarea operațiilor viitoare, respectiv realizarea acestora.

În anul 1986 o nouă arhitectură este propusă de Brooks(Stan), prezentându-se un set de nivele (layere), fiecare nivel conținând un program de control care este capabil să interacționeze direct cu mediul înconjurător (Figura 2.2).

2.1.5. Tipuri de roboți

Momentan, roboții sunt utilizați în majoritatea industriilor. Există atât de multe tipuri de roboți folosiți pentru diverse servicii, încât o enumerare a tuturor tipurilor acestora ar fi aproape imposibilă. O clasificare oarecum rudimentară a celor mai întâlnite tipuri de roboți ar putea fi:

androizi, roboți construiți ca să mimeze comportamentul și înfățișarea umană;

roboți statici, roboți folosiți în diverse fabrici și laboratoare ca de exemplu brațe robot;

roboți mobili, roboți care se deplasează într-un anumit mediu fără intervenție umană și realizează anumite obiective;

roboți autonomi, roboți care își îndeplinesc sarcinile fără intervenție din partea unui operator uman și își obțin energia necesară funcționării din mediul înconjurător;

tele-roboți, roboți care sunt ghidați prin dispozitive gen telecomandă de un operator uman;

linii automate de producție in fabrici, sunt tot un fel de roboți, chiar dacă nu sunt mobili, deoarece au toate facilitățile definiției noastre;

Dintre toate aceste tipuri de mai sus, lucrarea de față își propune să studieze doar roboții mobili, de aceea ori de câte ori se va face referire la denumirea de robot acesta va fi de fapt un robot mobil.

2.2. Ce este un robot mobil?

2.2.1. Definiție. Caracteristici

Un robot mobil ar putea fi descris ca un robot care trebuie să se deplaseze într-un anumit mediu, far ă ajutorul unui operator uman, și să execute anumite sarcini date de acesta. Deci principala lui caracteristică este mobilitatea.

Roboții mobili au întrebuințări multiple. De-a lungul timpului au existat și există roboți mobili cu funcții diverse, de la aspirator pentru casă la explorator spaț ial, de la vehicol ghidat automat (AGV) folosit in industrie la robot didactic folosit doar pentru scopuri științifice.

Pentru a se putea deplasa în mediul ambiant, roboții mobili au nevoie de anumite componente mecanice care sa le permită o mișcare precisă (altfel deplasarea s-ar face haotic). La ora actuală există mai multe de astfel componente, printre care:

roți – probabil cele mai ieftine, simple și flexibile componente;

șenile – dau o aderență mărită, greutatea robotului fiind distribuită pe o suprafață mai mare;

“picioare” – robotul este susținut de un număr de picioare, minimum unul ;

perne de aer sau perne magnetice;

Clasa roboților mobili cu roți este probabil cea mai populară. Din această clasă fac parte si AGV-urile (Automated Guided Vehicles – vehicole cu ghidare automată).

2.2.2. Exemple de roboți mobili

Lucrarea de față nu își propune să abordeze toate tipurile de roboți mobili. Acest lucru nu numai ca nu ar fi posibil datorită volumului extrem de documentație necesar, dar datorită evoluției pe scară largă a fenomenului, chiar dacă s-ar realiza acest lucru, lucrarea ar fi depășită în cateva luni de zile. De aceea, se vor prezenta câteva exemple de roboți mobili, special alese pentru a sublinia extraordinara lor importanță în secolul al XXI-lea.Se va insista deci asupra unui singur tip de roboți mobili, și anume roboții didactici (folosiți doar pentru cercetare în domeniul universitar).Ca și exemple vom lua roboții Pioneer de la ActivMedia Robotics pentru exemplul roboților didactici.

ActivMedia Robotics LCC este recunoscută ca fiind printre firmele în ascensiune rapidă în Statele Unite ale Americii în domeniul tehnologiei. Gama lor de roboți se întinde de la roboți industriali la roboți folosiți doar in scopuri educaționale pentru cercetare. Dintre roboții educaționali cei mai populari sunt roboții din seria Pioneer, precum și robotul Amigobot.

Robotul Pioneer a ajuns la versiunea 3, el având două variante de bază: varianta cu 2+1 roți (2 motoare + 1 pentru stabilitate) cunoscută sub numele de Pioneer DX, respectiv varianta cu 4 roți cunoscută sub numele de Pioneer AT.

2.2.2.1 Pioneer DX

Robotul Pioneer 3 DX are dimensiunile de 44x38x22cm, având scheletul mecanic construit din aluminiu. Roțile au diametrul de 16.5cm (respectând astfel regulamentul Ligii de fotbal a roboților, categoria mijlocie). Pe lângă cele două roți, mai există o a treia roată mică în spatele robotului pentru stabilitate(Rusu) .

Specificațiile Pioneer 3 DX: viteza lui maximă poate atinge 1.6 metrii/secundă pe teren drept, suportă greutăți de până la 23 Kilograme, și de asemenea poate urca pe teren în rampă cu o înclinație de maxim 25%.

În varianta de bază, robotul Pioneer3 DX are 8 sonare (senzori cu ultrasunete), așezate într-o configurație de 180 grade (figura 2.6).Senzorii pot să citească date corect între distanțe de 15cm și 7m.

Există o largă gamă de accesorii pentru robotul Pioneer3 DX, printre care:

Acces la rețea wireless ethernet;

Sistem de localizare și navigare bazat pe senzori laser;

Gripper;

Senzori pentru coleziune (bumper sensors) pentru evitarea coliziunilor în cazul în care robotul e prea aproape de perete și sonarele nu mai detectează sub o anumită distanță;

Cameră video stereo;

Senzori bazați pe unde în spectru infraroșu;

Sistem de localizare bazat pe GPS (Global Positioning System);

Senzorii cel mai des folosiți la roboții Pioneer sunt senzorii cu ultrasunete. În modulul de bază al roboților Pioneer DX, există 8 astfel de senzori dispuși ca în figura 2.5. Unghiul de dispunere al senzorilor este:

Astfel, numerotarea începe din partea dreaptă cu numărul 0 și se termină în partea stângă cu numărul 7.

În figura 2.6 se prezintă o schemă a robotului Pioneer 3 DX, împreună cu principalele elemente componente.

2.2.2.2 Pioneer AT

Pioneer 3 AT nu ne interesează prea mult, decât poate din punct de vedere al specificațiilor tehnice. Acest robot este mai costisitor decât „fratele” lui, robotul Pioneer3 DX, însă , având patru roți poate fi folosit pe orice tip de teren, cu precădere cel accidentat.

Robotul Pioneer 3 AT vine cu dotări standard destul de atractive printre care 16 sonare, cameră cu night-vision (vedere de noapte), baze radio wireless ethernet, GPS și asa mai departe. Pentru medii de lucru largi, în afara laboratorului, mai mult ca sigur că un Pioneer 3 AT s-ar descurca mai bine decât fratele sau mai mic, Pioneer 3 DX(Rusu).

Figura 2.7. Pioneer 3 AT

2.2.2.3 Amigobot

Mezinul familiei de roboți Pioneer este robotul Amigobot. Acesta reprezintă robotul ideal pentru aplicații didactice atât datorită dimensiunilor și prețului său redus, cât și faptului că este complet funcțional pentru o sumedenie de aplicații.

Amigobot-ul este echipate cu 8 sonare (senzori cu ultrasonice), 6 dispuse în fața robotului, iar 2 în spatele acestuia. Există două versiuni de Amigobot :

„Tethered”(robot cu fir)

Versiunea cu fir a robotului Amigobot, permite acestuia deplasarea până la distanțe de maxim 5m de calculatorul personal la care este conectat.

„Wireless” (robot fără fir)

Versiunea fără fir a robotului Amigobot, folosește o bază radio instalată pe robot pentru a comunica cu un calculator personal. Distanța maximă până la care comunicaț ia se desfășoară cu succes este de 100m. Există două tipuri de baze radio care se pot folosi, și anume:

Unsecure Personal Serial Ethernet

Secure Enterprise Serial Ethernet

Diferența între cele două constă în faptul că varianta securizată folosește anumite metode de criptare a datelor pentru siguranța lor.

2.3 Ce este un robot line follower?

Robotul de tip line follower este un echipament mobil care poate detecta și urmări o linie prestabilită (se recomandă a fi o linie neagră vizibilă pe o suprafață albă), fiind capabil să își corecteze în timp real mișcăriile greșite folosind un mecanism de feedback simplu dar totodată foarte eficient.

Un robot este în sine un operator mecanic, artificial construit de un om. Este un sistem compus de mai multe elemente: partea mecanică, senzori și elemente de execuție și eventual un mecanism de direcționare. Mecanica ajută la stabilirea înfățișării robotului și a mișcărilor posibile pe timpul său de funcționare însă pentru ca robotul să poată interacționa cu mediul înconjurător are nevoie și de alte elemente precum senzori și actuatori.

2.3.1 Exemple de roboți line follower

2.3.1.1Robotul Pololu 3pi

Figura. 2.10 Robotul Pololu 3pi

Robotul pololulu 3pi este o platformă mobilă de înaltă performanță care conține două motoare cu cutie de viteze, 5 senzori de reflexie, un LCD 8×2, un buzzer și trei butoane, toate conectate la un microcontroler programabil Atmega328. Capabil de viteze pana la 1 m/s, 3 pi este un excelent prim, pentru începători curajoși și un perfect al doilea robot pentru cei care vor să avanseze de la roboți neprogramabili(Documents).

Robotul 3pi este proiectat pentru a excela în competiții precum urmărirea liniei sau rezolvarea labirintelor. Are dimensiuni mici (diametru: 9.5 cm, greutate 83 g fără baterii) și îi trebuie decât 4 baterii de tip AAA, în timp ce un sistem de alimentare unic pune în funcțiune motoarele la o tensiune constantă de 9.25 v, tensiune independentă de cea a nivelului de încărcare. Regulatorul de tensiune îi permite lui 3pi sa ajungă la viteze de până la 1 m/sec, în timp ce face viraje și întoarceri precise, care nu variaza cu tensiunea bateriei(Documents).

Robotul 3pi este o platforma excelentă pentru persoane cu experiență în programare C care vor să învețe robotica și este o distracție in orice momente pentru cei care vor să invețe programare C. Inima robotului este un microcontroler Atmel ATmega328P care ruleaza la o frecvență de 20 MHz alături de un program de 32 KB, 2 KB de memorie RAM si 1KB de memorie EEPROM. Popularul compilator GNU C/C++ funcționează perfect cu 3pi, Atmel AVR Studio ofera un spațiu de dezvoltare confortabil și un set de librării interesante oferite de Pololu si realizează interfațării cu componentele se face foarte ușor. 3pi este deasemenea compatibil cu plăcile de dezvoltare Arduino. Imaginile de mai jos identifică componentele cele mai importante ale robotului(Documents).

2.3.1.2. Robot line follower fară utilizarea unui microcontroller

În zilele noastre orice robot funcționează cu ajutorul unui microcontroller, prin urmare circuitul este prea complex ca să-l intelegi motiv pentru care robotul urmaritor de linie conceput cu un simplu concept. Acest robot este un robot autonom care urmarește o linie albă pe o suprafață neagră sau invers. În acest scenariu, adesea accidentele de pe șosele se intâmplă din cauza neatenției în trafic a conducătorilor auto.

Robotul urmăritor de linie poate reduce într-o mare măsură si este chiar avantajos din punct de vedere economic in ceea ce privește transportul. Sunt folosiți doi senzori pereche LED-LDR. Conform Fizici, în cazul în care lumina ajunge pe o suprafață albă, devine reflectantă dar când lumina ajunge pe suprafața neagră lumina este absorbită în totalitate de suprafața neagră. LDR-ul (Light Dependent Resistance) este un senzor care simte lumina reflectată de LED.

Dacă senzorul este plasat pe o suprafață albă, motorul de curent continuu este pornit si pe suprafața neagră motorul este oprit astfel robotul se va depalsa in mod corespunzător.

Diagrama bloc:

Diagrama circuitului:

Descrierea circuitului

Aici LDR-ul este conectat la terminalul noninversor al comparatorului LM358N și rezistența variabilă este conectată la partea inversoare a comparatorului și în acest sens, atunci când perechea de senzori LED-LDR va fi pe suprafața alba lumina va fi reflectată la LDR și rezistența prin LDR va fi mică și va permite curentului și tensiunii să treacă prin ea. Atunci Vmax>Vmin. Comparatorul va genera „1” logic și atunci se v-a porni circuitul și perechea de senzori vor fi pesuprafața neagra, atunci Vmax<Vmin și va genera„0” logic care va opri circuitul.

Acest circuit are două părți componente:

Circuitul perechi de senzori LED-LDR

Circuitul comparatorului

Circuitul perechi de senzori LED-LD

In principiu, circuitul de senzori va putea anunta daca robotul se afla pe linie sau nu. Senzorii potriviti pentru acest rol pot fi senzori LED-LDR, sa o pereche de senzori fotodiode IR LED.

Se stie faptul ca suprafata alba reflecteaza mai multe raze decat o suprafata neagra. Acesta este principiul de baza pe care il folosim pentru a putea deduce daca perechea de senzori se afla pe linie alba sau linie neagra.

Se considera urmatoarea pereche de senzori LED-LDR:

Când perechea senzorului se află pe o linie alba

mai multă lumină reflectată pe suprafață

mai multe căderi de lumină pe suprafața senzorului LDR

rezistență mai mică a senzorului LDR

tensiune mai mica la bornele senzorului LDR

În mod similar, când perechea de senzori se află pe o linie neagră

tensiunea de cealaltă parte a LDR-ului va fi mare

Voltajul de-a lungul fotodiodei IR va varia in raport cu intensitatea luminii ce cade pe ea. Cu cât mai multă lumină reflectată, cu atât voltajul este mai mic de-a lungul receptorului IR.

Circuitul de senzori:

Componenta 10k este un potențiometru care va fi utilizat pentru a stabili valoarea maximă a gamei. Această rezistență ar trebui să fie aproximativ egal cu: (R(lumină)* R(intuneric))^1/2; în cazul în care, R(lumină) este aproximată rezistența de senzorul LDR si când este lumină R(întuneric) este rezistență de același fel și în întuneric.

Circuitul comparatorului

Senzorul LED-LDR este conectat la un comparator LM38. Comparatorul LM358 este un amplificator IC operațional ce poate fi folosit pe post de comparator. Terminalul “+” (terminalul non inveror pentru op-amp) citește voltajul de-a lungul rezistenței R4. Terminalul “-“ (terminalul invertor pentru op-amp) citește voltajul ce a fost setat la potențiometru.

Când se află pe linia albă, V(LDR) mic => V(R4) mare

Cand se afla pe linia neagra, V(LDR) mare => V(R4) mic

Voltajul de pe potentiometru(terminalul ”-”), V(potentiometru) este de asa natura:

V(R4)alb>V(potentiometru)>V(R4)negru

Când senzorul se află pe linia albă:

V(R4)alb>V(potențiometru) => V+ > V-=>ieșirea op-amp = Mare

Când senzorul se află pe linia neagră:

V(potențiometru)>V(R4)negru=>V->V+=>Ieșirea op-amp =Mică, astfel știm dacă

senzorii se află pe linia alba sau pe partea neagră.

În concluzie, dacă un capăt al motorului este conectat la 12V iar celălat capăt este conectat la ieșirea op-amp, va fi posibil ca motorul să fie controlat in funcție de suprfata pe care se alfă senzorii.

Pentru alb, potențialele de-a lungul motorului: 12-12 : poziție de staționare

Pentru negru, potențialele de-a lungul motorului: 12-0: motorul functionează

Funcționarea a doi senzori urmaritori de linie

2.3.1. ROBOTL – line follower ce funcționează pe baza Rețelelor Neuronale Artificiale

Schemă bloc

Functionare

ROBOTL este un robot mobil urmăritor de linie (line follower) ce se deplasează conform unui traseu reprezentat de o linie neagră pe un fundal alb. Linia neagră se trasează cu o bandă izolieră pe o bucată de carton duplex. Trei astfel de senzori ce alcătuiesc sistemul senzorial al robotului ROBOTL.

Semnalele provenite de la senzori sunt trimise spre procesare Unitatii Centrale reprezentată de Platforma de dezvoltare Arduino Uno ce conține microcontroller-ul ATmega328 de la ATMEL.

Platforma de dezvoltare Arduino Uno reprezintă sistemul de comandă al robotului si conține 14 pini digitali de intrare-ieșire si 6 pini analogici. Pentru ROBOTL s-au folosit următorii pini: analogici: A0, A1, A2 conectati fiecare la pinul de ieșire al fiecărui senzor de linie și digitali: D3(PWM), D11(PWM), D12, D13 folosiți pentru controlul motoarelor de curent continuu, D4, D5, D6, D8, D9, D10 pentru controlul ledurilor, pinul D2 pentru circuitul buzzer ce oferă sunetul de final de linie. Semnalele procesate sunt apoi transmise către shield-ul ArduMoto ce comandă, conform principiului unei punți H, cele două motoare electrice de curent continuu ale robotului. Motoarele sunt incluse in cutia de viteze Tamiya împreună cu angrenajele aferente ce conferă drept rapoarte de transfer 58:1, respectiv 203:1. ROBOTL functionează in configurația 58:1 drept raport de transfer.

Implementarea Retelei Neuronale Artificiale (RNA)

În cadrul acestui proiect, am folosit o rețea neuronală tip perceptron multistrat ce este formată dintr-un strat de intrare, un strat ascuns și unul de ieșire. Stratul de intrare cuprinde trei neuroni ce au drept intrări cele trei valori codificate în binar ale semnalelor provenite de la cei trei senzori de reflectanță. Stratul ascuns este alcătuit din patru neuroni, numărul lor fiind ales în mod arbitrar, totodată fiind suficient pentru implementarea rețelei neuronale pe baza căreia funcționează robotul ROBOTL. Stratul de ieșire conține doi neuroni ce furnizează la ieșire sensul de rotație al celor două motoare electrice de curent continuu ale robotului ROBOTL.

Pentru implementarea rețelei s-au folosit următoarele codificări: tensiune de ieșire senzor >= 4V (valoare determinată experimental) => (i=1) altfel (i=0) ; sensul de rotație a motoarelor – inainte(1), stop(0), înapoi(-1). În figura alaturată este reprezentată RNA pe baza careia funcționeaăa robotul ROBOTL.

Caracteristicile RNA:Arhitectura rețelei :

Perceptron multistrat (multilayer perceptron) cu un strat ascuns

Funcția de activare : Sigmoid pentru stratul ascuns si activare liniara pentru stratul de ieșire

Algoritmul de invatare (antrenare) : Algoritmul de propagare inversa a erorii (backpropagation)

3. Alegerea motoarelor de curent continuu

Atunci când construim un robot mobil, alegerea motoarelor electrice pentru tractiune este o decizie dintre cele mai importante. In acest moment teoria se imbină cu practica. În continuare sunt prezentate cateva aspecte referitoare la alegerea motoarelor de curent continuu pentru partea de tracțiune a robotului mobil urmăritor de linie. Până la a ajunge să alegem motarele DC trebuie să avem în vedere câteva aspecte sau caracteristici ale robotului mobil, respectiv:dimensiunile robotului, ce greutate dobândește, cu ce viteză și acceleratie se va deplasa și nu în ultimul rând pe ce tip de suprafață va rula. De asemenea trebuie luată în calcul tensiunea de alimentare disponibilă pentru motoare.

În continuare sunt prezentați pașii parcurși pentru determinarea turației și cuplului necesar motoarelor electrice. Pentru a menține o viteză constantă , motorul electric trebuie să dezvolte un cuplu motor care sa invingă momentul rezistiv de la axul motor. Dacă momentul motor este mai mic decât momentul rezistent, robotul va fi în repaos și acest lucru poate duce la arderea infașurării motorului electric dacă el este alimentat în continuare. În figura 3.1 sunt reprezentate schematic forțele ce acționează asupra robotului în cel mai general caz:

Pentru a determina momentul motor pentru acționarea robotului trebuie calculate forțele rezistente ce se opun mișcării robotului. Astfel se vor determina următoarele forțe rezistive:

Forța de frecare are urmatoarea expresie:

Ff = μr•N (3.1)

unde:

– μr- reprezintă coeficientul de frecare și este aproximat la 0.01;

– N – reprezintă forța normală la suprafață și în cazul de față are expresia:

N = Gy = m• g•cos(α) (3.2)

unde:

– m – este masa robotului, 1[Kg];

– g – este accelerația gravitațională, 9.81 [m/s2];

– α- este unghiul de înclinare al pantei și în cazul de față se consideră 0 [ °];

Rezultă forța de frecare, după înlocuirea valorilor:

Ff = μr•m• g•cos(α) = 0.01•10•9.81•1=0.098 [N] (3.3)

Componenta pe axa x a forței de greutate:

Gx = m• g• sin(α)=1• 9.81• 0 = 0 [N] (3.4)

Forța de inerție:

Fi= m• a =1•2 =2[N] (3.5)

unde:

-a – reprezintă accelerația maxima a robotului 2 [m/];

În urma determinării forțelor rezistente ce acționează asupra robotului, se poate determina forța de tracțiune necesară acționării robotului mobil:

Forța de tracțiune are expresia:

Ft > Fi+Gx+Ff>2+0+0.098≈2.1[N] (3.6)

Totodată, forța de tracțiune are expresia:

Ft= Mm/r =2.1 [N] (3.7)

unde:

– Mm- momentul motor;

– r – raza roții 70 [mm] = 0,07 [m] ;

Rezultă momentul motor necesar la axul unei roți are expresia:

Mmr=(Ft•r)/2= 2.1•0.07/2 =1.47/2 = 0.735 [Nm] (3.8)

Viteza unghiulară a motorului electric se determină cu expresia de mai jos, având în vedere că viteza liniară de deplasare a robotului să fie aproximativ 0.9 [m/s]:

ω =v/r =0.9/0.07 =13 [rad/s] (3.9)

Rezulta turatia motorului electric n= 190 [rot/min ].

n==190 [rot/min ]. (3.10)

Puterea motorului electric necesara pentru actionarea robotului este:

P = Mmr · ω =0.735·13 = 9.55 [W] (3.11)

În urma acestui calcul de dimensionare a motoarelor electrice de current continuu pentru actionarea robotului, s-au ales doua motoare Pololu 37D mm Gearmotors, ce au atasat la axul motor doua reductoare cu roti cilindrice cu dinti drepti si cu un raport de transmisie de 50:1. In figura 3.12 este prezentat un astfel de motor Pololu37D de mm.

Caracteristicile motoruluiPololu 37D de mm sunt prezentate mai jos:

dimensiunide gabarit: diametru D = 37 [mm], lungime max. l = 54 [mm];

masa motorului m = 0.2 [kg];

diametrul arborelui de iesire din reductor d = 6 [mm];

raportul de transmisie al reductorului i = 50:1;

tensiunea de alimentare U = 12 [v];

turatia la mers in gol n0 = 200 [rot/min];

curentul consumat la mers in gol I0 = 300 [mA];

curentul consumat cu axul blocat Imax = 5 [A];

cuplul maxim Mmax= 1.2 [Nm];

Puterea maxima consumata a motorului este determinata utilizand expresia:

P = U· Imax =12 ·5 = 60 [W] (3.12)

Bibliografie

Nițulescu M., Cojocaru D., Vladu C., Dumitru S., Tehnologie și educație mecatronică. Dezvoltare durabilă. Modul 2 Platforme mecatronice pentru educație și formare flexibilă, FlexFORM, notițe de curs și laborator, Craiova, 2011;

Rusu. B, „Sistem multiagent pentru roboți mobili: Robotux.”, proiect de diplomă, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, Iunie 2004;

Stan Gh., Roboți industriali, Editura Didactică și Pedagogică, București, 2004

Telea, D.,- Bazele robotici- ULB Sibiu, 2010;

http://documents.tips/documents/licenta-563384a4dcd9a.html

http://www.mecatronica.ro/definitie_mecatronica.html

http://www.scientia.ro/stiinta-la-minut/istoria-ideilor-si-descoperirilor-stiintifice/2500-introducere-in-istoria-roboticii.html