Проекты

Разработка локальной системы позиционирования мобильных роботов

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Курчатовский проект: от знаний к практике, от практики к результату» в секции «Метод» среди индивидуальных работ учащихся 10−11 классов.

Направление работы: Робототехника
Авторы работы: ГБПОУ «Воробьевы горы»
Предметы: Физика
Классы: 10 класс
Мероприятия: «Курчатовский проект: от знаний к практике, от практики к результату» 11 апреля 2018 года

Описание

Проект посвящен разработке системы позиционирования мобильных роботов на плоскости в ограниченном пространстве. Система служит элементом навигации мобильных роботов (МР) в условиях робототехнических соревнований школьников и студентов. Основные требования при проектировании – безопасность и невысокая стоимость, с возможностью тиражирования в условиях школьных лабораторий. Итоговое тестирование системы запланировано на российском этапе международных робототехнических соревнований EUROBOT и детских массовых мероприятиях во Дворце пионеров на Воробьевых горах.

Система позиционирования использует принцип трилатерации для определения координат объекта. Для ее работы необходимо установить не менее трех стационарных активных маяков в рабочем пространстве. Управление в системе организовано по принципу «звезда», где каждый элемент системы управляется центральным узлом, расположенным на МР. Маяк по запросу по радиоканалу посылает ультразвуковой (УЗ) сигнал, который ожидает приемник на МР. Фиксируется время задержки сигнала, определяющее расстояние до маяка. МР вычисляет свои координаты по данным о расстоянии до каждого из трех маяков.

Разработанная система позволяет обновлять координаты положения МР с частотой 10 Гц при дальности до каждого маяка около 10 м. Испытания показали необходимость установки на робота дополнительных дальномеров в целях обнаружения препятствий по ходу движения МР.

На основе схемотехнического моделирования работы электронных компонентов разработаны электронные модули: модуль приемника с усилителем УЗ-сигнала, модуль передатчика УЗ-сигнала и вычислительный модуль центрального узла системы управления. В проекте были смоделированы варианты элементов конструкции приемника (центрального узла) и маяка, запрограммирована система управления с использованием микроконтроллеров. Детали конструкции и печатные платы для электронных модулей были изготовлены на станках с ЧПУ.

Проведено сравнение расчетной скорости распространения УЗ с практическими данными замеров при разных температурных режимах.

Разработку можно считать успешной при сравнении с более точными системами, доступными на рынке, но они значительно дороже и используют небезопасное для глаз лазерное излучение. По сравнению с более дешевыми аналогами разработку отличает более высокая точность и отсутствие необходимости дополнительной программной разработки (координаты МР определяются автоматически).

Оснащение и оборудование, использованное в работе

Для разработки и изготовления компонентов системы позиционирования были подобраны следующие элементы.

Центральный узел.

Центральный узел находится в МР и включает в себя:

- модуль радиопередатчика nrf24l01 частотой 2.4 ГГц для обеспечения связи с маяками;

- модуль УЗ приемника hc-sr04;

- модуль Arduino Uno;

- цифровой датчик температуры ds1820;

Стационарный маяк.

Стационарный маяк состоит из следующих элементов:

- модуль радиоприемника nrf24l01 частотой 2.4 ГГц для обеспечения связи с центральным узлом;

- модуль УЗ передатчика hc-sr04

- управляющей платы модуль Arduino Pro Micro;

- линейный dc-dc преобразовать NCP1117ST50T3G (5v) для питания всего узла;

- линейный dc-dc преобразовать LP2985-33DBVR(3.3v) для питания радиопередатчика nrf24l01;

- аккумулятор 9V

Результат

Разработана система навигации мобильных роботов (МР) в условиях робототехнических соревнований.

Перспективы развития результатов работы

Результаты проекта помимо соревнований могут быть полезны при разработке дальнейших проектов, в которых необходимо определение положений мобильных объектов в ограниченном пространстве, например, при разработке роботов-помощников, гидов и т.д.

В развитие проекта целесообразно провести работы по повышению стабильности приема и увеличения рабочей зоны системы за счет усовершенствования геометрической формы приемных зеркал для УЗ.

Награды/достижения

Работа удостоена Диплома молодежного жюри Балтийского научно-инженерного конкурса