Line follower Impact - wersja druga

[sailo]

Przedstawiamy robota klasy Line Follower o nazwie Impact. Jest to ulepszona wersja poprzedniej konstrukcji opisanej na największym forum polskiej robotyki amatorskiej . Robot powstał w 2011 roku, do tej pory był zwycięzcą wszystkich zawodów, w jakich brał udział. Największym sukcesem jest niewątpliwie pierwsze miejsce w międzynarodowym turnieju robotów w Wiedniu, nazywanych przez wielu nieoficjalnymi mistrzostwami Europy. Robot składa się z dwóch modułów: płytki głównej oraz płytki z czujnikami, połączonych ze sobą za pomocą lekkich listew węglowych. Masa całości z akumulatorem to 105 g.

Moduł z czujnikami

Jest to element najdalej wysunięty od środka obrotu. Moment bezwładności jest stosunkowo duży (masa pomnożona przez kwadrat odległości od środka obrotu), dlatego też aby móc wysunąć daleko czujniki, masa płytki powinna być możliwie najmniejsza. W poprzedniej wersji zastosowaliśmy 19 czujników, z czego 16 ułożonych w łuk, 4 wysunięte odpowiednio do przodu oraz do tyłu. Na płytce znajdowały się także komparatory i potencjometr do ustawiania wartości progowej (Rys. 1).

Rys. 1 Układ czujników w poprzedniej konstrukcji.

W nowym module zastosowaliśmy 14 sensorów, umieszczonych w większych odległościach od siebie. Dzięki temu rozpiętość skrajnych czujników pozostała bez zmian. Zlikwidowane zostały czujniki wysunięte do przodu. Okazało się, że przy dużych prędkościach, biorąc pod uwagę bezwładność napędu, robot nie był w stanie efektywnie zareagować na sygnał z nich pochodzący. Dzięki zmniejszeniu liczby czujników, pojawiła się możliwość skorzystania z wbudowanego w mikrokontroler przetwornika analogowo-cyfrowego (16 multipleksowanych wejść), pozwoliło to zrezygnować z komparatorów. Bez tych dodatkowych układów, rozmiary płytki uległy zmniejszeniu. Zmieniliśmy także grubość laminatu 1,5mm na 0,8mm. Zabiegi te doprowadziły do dwukrotnego obniżenia masy płytki z 8 do 4g. Wygląd modułu przedstawiony na rysunku 2.

Rys.2 Widok płytki z czujnikami w aktualnej, nowej wersji robota.

Do wykrywania linii użyte zostały transoptory odbiciowe KTIR0711S . Podłączone w grupach: szeregowo po 3 czujniki z rezystorem. Na płytce zostały umieszczone pady dla cyfrowego czujnika odległości Sharp 40cm.

Moduł główny

Płytka jest zarówno obwodem drukowanym jak i podwoziem konstrukcji. Oprócz układów elektronicznych umieściliśmy na niej silniki napędowe oraz napęd tunelowy. Udało się znacznie zmniejszyć moduł w stosunku do poprzedniej wersją. Wymiary wynoszą: 140 mm x 60mm.

Elektronika

Sercem robota jest mikrokontroler z rodzimy STM32. Silnikami sterują mostki H TB6612. Tor zasilania składa się z przetwornicy impulsowej 5V oraz stabilizatora liniowego 3,3V.

Mikrokontroler - 32-bitowy STM32F103RBT6 z rdzeniem firmy ARM Cortex-M3 posiadający miedzy innymi: 128kB Flash, 20kB RAM, USB, CAN, UART, I2C,SPI, ADC, DAC w obudowie LQFP64, spełnia następujące zadania:

• odczyt stanów portów wejściowych,
  
• przetwarzanie sygnału analogowego na postać cyfrową,
  
• generowanie sygnału PWM,
  
• sterowanie mostkami H – generowanie odpowiednich sygnałów,
  
• realizacja algorytmu sterownia,
  
• komunikacja z modułem LCD,
  
• sterowanie diodami LED.

Sterowniki silników - dwa dwukanałowe mostki H Toshiba TB6612, umożliwiające:

• kontrolę prędkości obrotowej za pomocą sygnału PWM,
  
• zmianę kierunku obrotów silnika przy pomocy zmiany stanów dwóch wyprowadzeń,
  
• szybkie hamowanie.

Aby zabezpieczyć się przed uszkodzeniem układu przy poborze maksymalnego prądu przez silniki (1600mA) kanały A i B mostków zostały połączone (wydajność prądowa wzrosła do 2A). Mostki zostały podłączone w sposób pokazany na rysunku 3.

Rys. 3 Schemat podłączenia sterownika silników.

Kontrola zdalna

Ze względu na osiągane wysokie prędkości podczas przejazdu utrudnieniem staje się zatrzymywanie robota w sposób ręczny. Uruchamianie i zatrzymywanie odbywa się w sposób bezprzewodowy, z wykorzystaniem podczerwień. Zastosowany układ ATtiny13 odpowiedzialny jest za dekodowanie sygnału z pilota, który nadaje sygnał w standardzie RC5. Rozwiązanie opracowane przez firmę Philips zwiększa odporność na zakłócenia z otoczenia oraz stwarza możliwość użycia uniwersalnych i ogólnodostępnych pilotów. Kolejnym atutem jest łatwość wykorzystania dodatkowych przycisków znajdujących się na pilocie. Dodatkowy procesor został użyty ze względu na wysokie wymagania co do niezawodności działania zdalnego zatrzymywania, np. w sytuacjach awaryjnych.

Napęd

Napęd stanowią dwa silniki Pololu HP z przekładnią 10:1 o następujących parametrach technicznych:

• Obroty na biegu jałowym przy zasilaniu 6V: 3000 obr./min,
  
• Prąd biegu jałowego (6V): 120mA,
  
• Prąd szczytowy: 1600mA,
  
• Moment obrotowy: 0,3 kg*cm (29 mNm),
  
• Wymiary: 24 x 10 x 12 mm,
  
• Masa: 10g.

Koła składają się z felg wytoczonych z tworzywa sztucznego poliamid oraz specjalnie dobranych opon. Felga jest ciasno pasowana na wał silnika oraz zabezpieczona klejem cyjanoakrylowym (Rys. 4)

Rys. 4 Koła wytoczone z poliamidu wraz z oponami Mini-Z.

Przetestowane zostały rożne rodzaje ogumienia. Najlepszym wyborem okazały się opony stosowane w modelach samochodów Mini-Z. Są to opony o szerokości 12mm i grubości 3 mm. Kolejnym parametrem jest twardość, która wynosi 20° (w skali 10°-60°). Opony o mniejszej twardości charakteryzują się większą przyczepnością, jednak szybciej się zużywają. Średnica felgi z oponą to 27mm. Bardzo ważną kwestią jest również czystość opon. Przed każdym przejazdem są one czyszczone w celu usunięcia drobinek kurzu, które powodują utraty przyczepności i mają negatywny wpływ na osiągi.

Teoretyczna maksymalna prędkość liniowa robota w granicy 3m/s. W zależności od trasy, uzyskiwane średnie prędkości wynoszą 2,3-2,5 m/s.

Napęd tunelowy

Ważnym elementem jest napęd tunelowy EDF. Jest to turbina, taka jaką stosuje się w modelach latających, jednak zamontowana odwrotnie. Element ma za zadanie wytworzyć dodatkową siłę docisku, która pomaga robotowi utrzymać się na trasie w zakrętach przy dużych prędkościach (powyżej 2m/s).  Turbina wyposażona jest w silnik bezszczotkowy ( 11000 obr./min. pobór prądu około 4A), którym steruje kontroler firmy Dualsky.  

Rys. 5  Napęd tunelowy EDF27 z sterownikiem silnika.

Zasilanie

Do zasilania robota użyty został pakiet Litowo-Polimerowy Dualsky 220mAh 25C 7,4V (Rys. 6). Prąd ciągły jaki jest w stanie zapewnić pakiet to 5,5A, natomiast szczytowy to 11A co w zupełności wystarcza do poprawnego zasilania. Akumulator pozwala na ok. 30 sekund optymalnej jazdy, po tym czasie napięcie zasilania spada co negatywnie wpływa na dynamikę i prędkość maksymalną robota. W trakcie zawodów wymiana akumulatorów następuje z reguły co 2 przejazdy co pozwala na wykorzystanie pełnej mocy silników. Duży wpływ na zastosowanie tak małego pakietu miała masa, która wynosi ok. 16 gram.

Rys. 6 Zastosowany akumulator Dualsky 220mAh .

Bezpośrednio z akumulatora zasilane są silniki oraz napęd tunelowy. Elementy elektroniczne wymagające napięcia 5V zasilane są napięciem stabilizowanym przy pomocy regulowanej przetwornicy ST1S10PHR o wydajności prądowej do 3A. Zasilanie procesora czyli 3,3V pochodzi z liniowego układu LDO (low-dropout) LF33CT, którego napięciem wejściowym jest pochodzące z przetwornicy 5V. Schemat zasilania przedstawiony na rysunku 7.

Rys. 7  Schemat blokowy toru zasilania.

Interfejs użytkownika

Ustawianie regulatora wymaga częstych zmian parametrów takich jak: maksymalna prędkość obrotowa silników napędzających, prędkości wirnika turbiny czy wzmocnień regulatora PID. Podłączanie robota do komputera po każdym przejeździe, szczególnie na zawodach gdzie stanowiska serwisowe znajdują się w pewnych odległościach od trasy było bardzo uciążliwe. Powstał moduł z wyświetlaczem LCD do podglądu ustawień oraz przyciskami do ich regulacji. Jak wspomniano wcześniej masa jest parametrem kluczowym dlatego układ jest osobnym modułem, łączącym się z robotem za pomocą interfejsu UART.

Głównymi funkcjami modułu są:

• wybór nastaw regulatora,
  
• wybór prędkości maksymalnej,
  
• wybór prędkości obrotowej wirnika turbiny napędu tunelowego,
  
• sprawdzenie poprawności działania czujników,
  
• podgląd danych wyjściowych regulatora PID,
  
• ustawienie wartości napięcia progowego dla czujników odbiciowych.

Rys 8. Moduł z wyświetlaczem LCD.

Oprogramowanie

Oprogramowanie zostało napisane w języku C przy użyciu bibliotek udostępnionych przez firmę STM: STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0 . Algorytm sterowania to PID z pewnymi modyfikacjami.

Dotychczasowe osiągnięcia:

1. miejsce T-BOT – Wałbrzych - 2012

1. miejsce Robomaticon – Warszawa - 2012

1. miejce Robot Challenge – Wiedeń - 2012

1. miejsce Trójmiejski Turniej Robotów - Gdańsk - 2012

1. miejsce CybAirBot - Poznań - 2012

Zdjęcia

Filmy

Autorzy:

Bartosz Derkacz

Szymon Mońka

KNIM - Politechnika Wrocławska

[Carpe Diem]

Fajny pomysł z tym modułem do regulacji. Nic tylko pogratulować całości.

[mati 6]

Mistrzowska konstrukcja i świetny opis!!!

ps.

W dotychczasowych osiągnięciach wkradł się błąd. Zawody Cybairbot odbywają się ofc. w Poznaniu.

[MacGyver]

Niesamowity robot, zawrotne predkości etc. Nic tylko gratulować. Mam nadzieje, że sie nie obrazicie jesli w jakimś stopniu będe wzorował sie na tej konstrukcji(zresztą chyba kazdy to robi xD). A wkradł wam się błąd: piszecie, że uzyliscie Atmegi 8, natomiast w schemacie blokowym jest Attiny13, ale to nie zmienia faktu, że jestescie Legendarni D:

[Naelektryzowany]

Widziałem i prezentuje się mistrzowsko w swojej klasie. Widzę, że jest strasznie prądożerny, do testów też używaliście tak małego akumulatorka? W 30 sek to tylko kilka prób i pod ładowarkę.

Niemniej jednak konstrukcja bardzo przemyślana, a masa jest bardzo niska, jak na lf'a "typowego" rozmiaru.

[Phil]

Wielkie gratulacje! Istne cudo, szybki i zwrotny. Podoba mi się pomysł osobnego modułu do ustawień.

[ojebejbe]

No śmigiełko niby ma... ale nie lata, nie? oO

)))

__________

Komentarz dodany przez: Treker

Lata, ja widziałem Ale to tylko na afterparty po zawodach

[sailo]

A wkradł wam się błąd: piszecie, że uzyliscie Atmegi 8, natomiast w schemacie blokowym jest Attiny13

Poprawione, dzięki. W poprzednim robocie była użyta Atmega8, stąd ten błąd.

[tomek127pol]

Gratulacje.

Nakrętki w roli dystansu z przodu nie zwiększają bezwładności? Czy są pomijalnie lekkie?

Edit:

Co jest podklejone żeby zmniejszyć prześwit?

[sailo]

Nakrętki mają niewielki wpływ, ale i tak zamierzamy to zmienić na coś lżejszego.

Jako kurtyna wykorzystane zostały uszczelki do okien.

[tomek127pol]

Jakie jest PWMmax na prostych?

Jaka częstotliwość jeśli zechcecie zdradzić ?

Moje gdybanie: z przodu w kurtynie zrobić przerwę, spadło by troche podciśnienie(to minus) ale powietrze zasysne mogło by dodatkowo "ciągnąć" robota do przodu - byłby jeszcze szybszy.

[sailo]

Maksymalne wypełnienie jest ustawiane indywidualnie dla każdej trasy podczas eliminacji. Zazwyczaj mieści się w przedziale 80%-90% wartości maksymalnej.

Jeśli chodzi o przysysanie to bardziej zależy nam na przyczepności. Na filmach w zwolnionym tempie można zauważyć, że robot wypada z trasy na zakrętach 90-stopni występujących po długich prostych Prowadzi to to utraty prędkości, a co z a tym idzie gorszego czasu.

[Wojtek]

Jak się fachowo nazywa ta tasiemka łącząca przednią płytkę z tylną.

[Phil]

Tasiemka ZIF. Też ostatnio szukałem tej nazwy

[MatManiak]

Tasiemka ZIF. Też ostatnio szukałem tej nazwy

Raczej złącze ZIF do tasiemki FFC, ale różne sklepy różnie nazywają.