Проекты

Робот на самоуправлении

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Интеллектуальные робототехнические системы, беспилотные аппараты» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Робототехника
Авторы работы: ГБОУ Школа им. А. Боровика
Предметы: Физика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Актуальность

Люди с самого своего зарождения делали какую-то работу: сначала это была охота на диких животных, собирание полезных растений. Потом человек научился добывать огонь, приручать животных, разводить растения. Потребности человека постепенно росли, и вместе с этим нужно было больше трудиться. В связи с этим человек придумал различные механизмы, облегчающие работу, например, подъёмные механизмы, гидравлические прессы, станки и т. д. Но это со временем перестало давать достаточный результат. Человеку стало делать что-либо слишком трудно, например, добывать нефть, уголь, газ, вырубать лес и т. д. Этот вопрос решили в 20 веке, когда начали появляться первые роботы на производстве. Далее их улучшали и создавали новые для различных сфер жизни: быт, военное дело, наука др. Но робототехника не стоит на месте, она продолжает развиваться и требовать новых технологий. Именно поэтому данный проект крайне актуален в сегодняшних реалиях.

Цель

Изучение принципов работы роботов, функционирующих на основе инфракрасного излучения, разработка модели робота, получение знаний и опыта в радиотехнике, получение опыта в создании проекта и оформлении проектной работы.

Задачи

1. Узнать принцип работы моделей с инфракрасными (далее – ИК) датчиками.

2. Изучить принципы работы на роботе ИК-светодиодов, которые определяют наличие препятствий на пути и помогают их объехать.

3. Научиться собирать электрические схемы с помощью печатных плат.

4. Разработать модель робота на самоуправлении.

5. Провести экономические расчёты сборки робота.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • принтер TierTime UP Mini 2 ES
  • Паяльная станция REXANT 12-0727
  • Мультиметр цифровой FLUKE 15B+
  • Фрезеровально-сверлильный станок LPKF ProtoMat S103
  • Универсальная ремонтная станция WR3000M

Описание

Для реализации заявленного функционала устройства была подобрана электронная компонентная база и модули. В САПР EasyEDA была разработана электрическая принципиальная схема устройства. Схема основана на микросхеме L293D, которая управляет моторами. Рассмотрим левую часть микросхемы, т. к. обе части симметричны. Когда мы подаём логическую единицу на ENABLE 1, включается драйвер управления. Если мы подадим на INPUT 1 логическую единицу, а на INPUT 2 логический ноль, то мотор будет вращаться вперёд. То же самое происходит и на второй части микросхемы. В итоге, робот едет вперёд. Для обнаружения препятствий в нижней части схемы есть два TSOP приёмника ИК-излучения. Рассмотрим левый приёмник: когда ИК-луч попадает на приёмник, сигнал идёт на базу транзистора, транзистор открывается, и сигнал попадает на основную микросхему с левой стороны через диод. Он, взаимодействуя с транзистором, меняет логические единицы на выходах INPUT на противоположные, и, следовательно, мотор начинает вращаться назад на промежуток времени, пока не разрядится конденсатор. Но сигнал попадает и на правую часть схемы, но с меньшим напряжением, т. к. его частично погасил светодиод HL2. Справа происходит тот же процесс, но из-за меньшего напряжения конденсатор разряжается быстрее, и мотор вращается назад на меньший промежуток времени. Тем самым происходит отворот от препятствия. ИК-лучи больше не попадают на приёмник, и робот едет дальше вперёд. Так происходит при попадании лучей на любой из двух приёмников.

Чтобы посылать ИК-лучи в пространство, была также собрана схема генератора ИК-излучения на определённую частоту, на которой работают TSOP приёмники (36 кГц), на основе микросхемы NE555. Микросхема NE555 способна генерировать сигналы определённой частоты. Эту частоту можно изменять при помощи конденсаторов и резисторов. Данная частота подаётся на инфракрасные светодиоды, яркость которых регулируется с помощью подстроечного резистора. В схеме используется частота 36 кГц, как сказано выше.

ИК-лучи способны отражаться от препятствия и попадать на приёмник справа или слева. Если препятствия впереди нет, то лучи не возвращаются, не попадают на приёмник, и робот едет вперёд.

В САПР «Autodesk Inventor» был спроектирован корпус робота: коробка для печатных плат с креплениями для колёс и крепление поворотного колеса.

Был проведён эксперимент, в ходе которого было установлено, что робот на самоуправлении успешно справляется с объездом препятствия. Но расстояние реагирования было мало, что могло привести к столкновению. После установки более мощных светодиодов и уменьшения сопротивления цепи эксперимент был проведён повторно, и робот уже реагировал на препятствие с большего расстояния, а именно с 7 сантиметров.

Результаты работы/выводы

1. Получены навыки сборки роботов и работы с различными микросхемами.

2. Спроектирована электрическая принципиальная схема в САПР EasyEDA.

3. Создан корпус робота в САПР «Autodesk Inventor».

4. Было найдено применение роботу.

5. Была разработана модель робота.

В дальнейшем планируется модернизировать робота и минимизировать его габаритные размеры.

Перспективы использования результатов работы

Устройство можно улучшить, если добавить в него новые компоненты, например, более ёмкий аккумулятор, также устройство можно дополнить камерой наблюдения для использования в качестве робота-охранника, что послужит дополнением к общей системе видеонаблюдения в охраняемых помещениях.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

РТУ МИРЭА