Автор: Никита Алексеевич Шакиров
Подвижное шасси с автономным управлением и ультразвуковой навигационной системой
Шакиров Н.А.
nik.shak.01@mail.ru
ФГБОУ ВО «КНИТУ-КАИ»,КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ
г. Казань
Целью данной работы является создание мобильной платформы, способной перемещаться по лабиринтам и между препятствий с помощью ультразвуковой навигационной системы. В рамках проекта рассматривались различные технологии и методы, которые позволили бы осуществлять автономное управление мобильным шасси. Изучаются основы программирования на языке Arduino, а также принципы работы ультразвуковых датчиков и двигателей.
Робототехника — это отрасль науки и техники, связанная с созданием, проектированием и управлением роботами. Робот — это машина, которая может выполнять различные задачи, как правило, автоматически, без участия человека. Они используются во многих сферах жизни, от производства и медицины до освоения космоса.
Мобильный робот — это автономный механизм, способный перемещаться в окружающем пространстве. Такая техническая система, не зависящая от местоположения или физического пространства, выполняет определенные операции в соответствии с интегрированной в нее базой знаний. В зависимости от программы, заложенной в блоке управления, мобильный робот работает автономно или управляется дистанционно оператором. Механизм может двигаться по заранее заданному маршруту или самостоятельно определять траекторию движения.
Колесные мобильные роботы — самая простая и распространенная форма мобильных роботов. Этот тип робота использует колеса в качестве средства передвижения, и характеристики устройства будут зависеть от количества колес. Оборудование с небольшим количеством подвижных частей имеет характеристики большей подвижности. Для повышения подвижности и устойчивости оборудования необходимо увеличить количество колес. Вышеописанный способ движения позволяет получить хорошие скоростные показатели и легко менять траекторию движения на гладких и ровных поверхностях.
В настоящее время существует множество способов прохождения лабиринта. Некоторые позволяют найти только одно решение, а другие позволяют найти абсолютно все. Существуют методы, которые включают использование дополнительной памяти для запоминания всех положений робота в лабиринте. Некоторые методы уникальны для машин, и людям абсолютно невозможно пройти лабиринт таким методом.
Одним из простейших правил прохождения лабиринта является правило «одной руки»: чтобы пройти лабиринт, нужно всегда касаться его стенок правой или левой рукой.
Опишем действия робота в соответствии с правилом «левой руки» в виде блок схемы, представленной на рис.1.
Рисунок 1. Блок-схема алгоритма для робота, работающего по правилу «левой руки».
На проектном этапе была разработана конструкция мобильного робота, с монтажом всех компонентов в общую конструкцию. Проверка работоспособности элементов конструкции и программная реализация движения робота, а также тестирование реальной системы.
Для создания конструкции были выбраны следующие компоненты. В качестве контроллера Плата Arduino Uno. Для управления моторами постоянного тока Драйвер двигателя L298N и в качестве навигационной системы были выбраны ультразвуковые датчики расстояния Arduino HC-SR04.
Контроллер Uno — самый подходящий вариант для начала использования платформы: он удобен, очень доступен из-за массового производства различных аналогов, о нем имеется много информации.
Драйвер L298N используется радиолюбителями для многофункционального управления двигателями постоянного тока. Схема модуля состоит из двух Н-мостов, позволяющих одновременно подключать биполярный шаговый двигатель или два коллекторных двигателя постоянного тока. При этом скорость и направление вращения двигателя можно изменить. Управление осуществляется подачей соответствующего сигнала на командный вход, выполненный в виде штыревого контакта.
Ультразвуковые датчики расстояния Arduino пользуются большим спросом в проектах робототехники из-за их относительной простоты, достаточной точности и доступности. Их можно использовать в качестве устройств, помогающих избегать препятствий, определять размер объектов, моделировать карту комнаты и указывать приближение или удаление объектов.
Подключение основного оборудования системы можно наблюдать на функциональной схеме рис. 2.
Рисунок 2. Функциональная схема.
После сборки робота, представленного на рис.3, необходимо загрузить на плату соответствующую программу, которая будет управлять его движением и взаимодействием с окружающей средой. После этого можно приступить к тестированию и отладке робота, чтобы убедиться в его правильной работе.
Рисунок 3. Колёсное шасси с ультразвуковой навигацией.
Arduino – это программное обеспечение, которое используется для программирования микроконтроллеров на платформе Arduino. Она позволяет создавать различные программы для проектов, используя язык программирования C++.
Автономное управление позволяет устройству самостоятельно принимать решения и выполнять задачи, что значительно упрощает процесс работы. Ультразвуковая навигационная система является одной из наиболее точных и надежных систем для определения местоположения объекта в пространстве. Она позволяет устройству точно определять расстояние до препятствий и корректно реагировать на изменения среды.
В ходе экспериментальных исследований было выявлено, что разработанное устройство может быть использовано в различных областях. Оно может выполнять различные задачи, например, перемещаться по заданной траектории, обнаруживать и удалять препятствия, а также собирать информацию о окружающей среде. Это делает его перспективным решением для автоматизации производственных процессов и создания роботов-помощников.