Які бувають датчики для роботів? Автономний робот на основі Arduino з можливістю дистанційного керування — Ультразвукові датчики

Інфрачервоний датчик входить в домашню версію набору Lego mindstorms EV3. Це єдиний датчик, який може застосовуватися як самостійно, так і в парі з інфрачервоним маяком, який також є частиною домашнього набору. Наступні два уроки ми присвятимо вивченню цих двох пристроїв, а також взаємодії між собою.

8.1. Вивчаємо інфрачервоний датчик та інфрачервоний маяк

(Мал. 1)у своїй роботі використовує світлові хвилі, невидимі людині – інфрачервоні хвилі. * . Такі ж хвилі використовують, наприклад, дистанційні пульти керування різною сучасною побутовою технікою (телевізорами, відео та музичними пристроями). Інфрачервоний датчик у режимі "Наближення"самостійно посилає інфрачервоні хвилі і, зловивши відбитий сигнал, визначає перешкоди перед собою. Ще два режими роботи інфрачервоний датчик реалізує у парі з інфрачервоним маяком (Мал. 2). В режимі "Видалений"Інфрачервоний датчик вміє визначати натискання кнопок інфрачервоного маяка, що дозволяє організувати дистанційне керування роботом. В режимі "Маяк"інфрачервоний маяк посилає постійні сигнали, якими інфрачервоний датчик може визначати зразковий напрямок і віддаленість маяка, що дозволяє запрограмувати робота таким чином, щоб він завжди слідував у бік інфрачервоного маяка. Перед використанням інфрачервоного маяка необхідно встановити дві батарейки AAA.

Мал. 1

Мал. 2

8.2. Інфрачервоний датчик. Режим "Наближення"

Цей режим роботи інфрачервоного датчика нагадує режим визначення відстані ультразвуковим датчиком. Різниця криється в природі світлових хвиль: якщо звукові хвилі відбиваються від більшості матеріалів практично без згасання, то на відображення світлових хвиль впливають не лише матеріали, а й колір поверхні. Темні кольори, на відміну від світлих, сильніше поглинають світловий потік, що впливає на роботу інфрачервоного датчика. Діапазон роботи інфрачервоного датчика також відрізняється від ультразвукового – датчик показує значення в межах від 0 (Предмет знаходиться дуже близько) до 100 (Предмет знаходиться далеко або не виявлений). Ще раз підкреслимо: інфрачервоний датчик не можна використовувати для визначення точної відстані до об'єкта, оскільки на його показання в режимі "Наближення" впливає колір поверхні предмета, що досліджується. У свою чергу, цю властивість можна використовувати для відмінності світлих і темних об'єктів, що знаходяться на рівній відстані до робота. Із завданням визначення перешкоди перед собою інфрачервоний датчик справляється цілком успішно.

Вирішимо практичне завдання, схоже на Завдання №14 Уроку №7Але, щоб не повторюватися, ускладнимо умову додатковими вимогами.

Завдання №17:написати програму робота, що прямолінійно рухається, що зупиняється перед стіною або перешкодою, що від'їжджає трохи назад, повертає на 90 градусів і продовжує рух до наступної перешкоди.

У робота, зібраного за інструкцією small-robot-31313, Попереду по ходу руху встановлений інфрачервоний датчик. З'єднаємо його кабелем із портом "3" модуля EV3 і приступимо до створення програми.

Розглянемо програмний блок "Чекання"Помаранчевий палітри, переключивши його в Режим: - "Порівняння" - "Наближення" (Рис. 3). У цьому режимі програмний блок "Чекання"має два вхідні параметри: "Тип порівняння"і "Порогове значення". Налаштовувати ці параметри ми вже вміємо.

Мал. 3

Рішення:

1. Почати прямолінійний рух уперед
2. Чекати, поки граничне значення інфрачервоного датчика стане менше 20
3. Припинити рух уперед
4. Від'їхати назад на 1 оборот двигунів
5. Повернути праворуч на 90 градусів (скориставшись знаннями Уроку №3, розрахуйте необхідний кут повороту моторів)
6. Продовжити виконання пунктів 1 - 5 у нескінченному циклі.

Спробуйте вирішити Завдання № 17самостійно, не підглядаючи у рішення.

Мал. 4

А тепер для закріплення матеріалу спробуйте адаптувати рішення Завдання №15 Уроку №7для використання інфрачервоного датчика! Вийшло? Поділіться враженнями у коментарі до уроку...

8.3. Дистанційне керування роботом за допомогою інфрачервоного маяка

Інфрачервоний маяк, що входить до домашньої версії конструктора Lego mindstorms EV3, у парі з інфрачервоним датчиком дозволяє реалізувати дистанційне керування роботом. Познайомимося з маяком ближче:

1. Користуючись інфрачервоним маяком, спрямовуйте передавач сигналу (Мал. 5 поз. 1)у бік робота. Між маяком і роботом повинні бути відсутні перешкоди! Завдяки широкому куту огляду інфрачервоний датчик впевнено приймає сигнали, навіть якщо маяк знаходиться позаду робота!
2. На корпусі маяка розташовано 5 сірих кнопок. (Мал. 5 поз. 2), натискання яких розпізнає інфрачервоний датчик, та передає коди натискань у програму, що керує роботом.
3. За допомогою спеціального червоного перемикача (Мал. 5 поз. 3)можна вибрати один із чотирьох каналів для зв'язку маяка та датчика. Зроблено це у тому, щоб у безпосередній близькості можна було керувати кількома роботами.

Мал. 5

Завдання №18:написати програму дистанційного керування роботом за допомогою інфрачервоного маяка.

Ми вже знаємо, що для реалізації можливості вибору блоків, що виконуються, необхідно скористатися програмним блоком "Перемикач"Помаранчевий палітри. Встановимо режим роботи блоку "Перемикач"в - "Вимірювання" - "Видалений" (Рис. 6).

Мал. 6

Для активації зв'язку між інфрачервоним датчиком та маяком необхідно встановити правильне значення параметра "Канал" (Рис. 7 поз. 1)відповідно до обраного каналу на маяку! Кожному програмному контейнеру блоку "Перемикач"необхідно зіставити один із можливих варіантів натискання сірих клавіш (Мал. 7 поз. 2). Зауважте: деякі варіанти включають одночасне натискання двох клавіш (натиснені клавіші позначені червоним). Усього в програмному блоці "Перемикач"у цьому режимі можна обробляти до 12 різних умов (одна з умов повинна бути обрана умовою за умовчанням). Додаються програмні контейнери до блоку "Перемикач"натисканням на "+" (Рис. 7 поз.3).

Мал. 7

Пропонуємо реалізувати наступний алгоритм керування роботом:

• Натискання верхньої лівої кнопки включає обертання лівого двигуна, робот повертає праворуч (Мал. 7 поз. 2 значення: 1)
• Натискання верхньої правої кнопки включає обертання правого мотора, робот повертає вліво (Мал. 7 поз. 2 значення: 3)
• Одночасне натискання верхніх лівої та правої кнопок включає одночасне обертання вперед лівого та правого мотора, робот рухається вперед прямолінійно (Мал. 7 поз. 2 значення: 5)
• Одночасне натискання нижніх лівої та правої кнопок включає одночасне обертання назад лівого та правого мотора, робот рухається назад прямолінійно (Мал. 7 поз. 2 значення: 8)
• Якщо не натиснуто жодної кнопки маяка - робот зупиняється (Мал. 7 поз. 2 значення: 0).

При розробці алгоритму дистанційного керування ви повинні знати наступне: коли натиснута одна з комбінацій сірих кнопок - інфрачервоний маяк безперервно надсилає відповідний сигнал, якщо кнопки відпущені, то відправка сигналу припиняється. Виняток становить окрема горизонтальна сіра кнопка (Мал. 7 поз 2 значення: 9). Ця кнопка має два стани: "ВКЛ" - "ВИКЛ". У включеному стані маяк продовжує посилати сигнал, навіть якщо ви відпустите кнопку (про що сигналізує зелений світлодіод), щоб вимкнути відправку сигналу в цьому режимі - натисніть горизонтальну сіру кнопку ще раз.

Приступимо до реалізації програми:

Наш алгоритм дистанційного керування передбачає 5 варіантів поведінки, відповідно наш програмний блок "Перемикач"складатиметься з п'яти програмних контейнерів. Займемося їх налаштуванням.

1. Варіантом за промовчанням призначимо варіант, коли не натиснута жодна кнопка (Мал. 7 поз. 2 значення: 0). Встановимо в контейнер програмний блок, що вимикає мотори "B"і "C".
2. У контейнер варіанта натискання верхньої лівої кнопки (Мал. 7 поз. 2 значення: 1)встановимо програмний блок "Великий мотор", Що включає двигун "B".
3. У контейнер варіанта натискання верхньої правої кнопки (Мал. 7 поз. 2 значення: 3)встановимо програмний блок "Великий мотор", Що включає двигун "C".
4. У контейнер варіанта одночасного натискання верхніх лівої та правої кнопок (Мал. 7 поз. 2 значення: 5)встановимо програмний блок "Незалежне керування моторами" "B"і "C"уперед.
5. У контейнер варіанта одночасного натискання нижніх лівої та правої кнопок (Мал. 7 поз. 2 значення: 8)встановимо програмний блок "Незалежне керування моторами", що включає обертання двигунів "B"і "C"назад.
6. Помістимо наш налаштований програмний блок "Перемикач"всередину програмного блоку "Цикл".

За запропонованою схемою спробуйте створити програму самостійно, не підглядаючи у рішення!

Мал. 8

Завантажте програму в робота і запустіть її на виконання. Спробуйте керувати роботом за допомогою інфрачервоного маяка. Чи все у вас вийшло? Чи зрозумілий вам принцип реалізації дистанційного керування? Спробуйте реалізувати додаткові варіанти керування. Напишіть свої враження у коментарі до цього уроку.

* Хочете побачити невидимі хвилі? Увімкніть режим фотозйомки в мобільному телефоні та піднесіть випромінюючий елемент дистанційного пульта від телевізора до об'єктиву мобільного телефону. Натискайте кнопки пульта дистанційного керування та на екрані телефону спостерігайте світло інфрачервоних хвиль.

У цій статті показано виготовлення простого робота, що уникає перешкод на платі Xboard v2.0. Ця плата добре підходить для невеликих розумних роботів, тому що вона компактна, має чотири контролери двигунів постійного струму, може бути прошита USB і має ще багато інших функцій. Також вона дуже проста в освоєнні та використанні. xAPI являє собою набір функцій на С, призначені для вирішення складних програмних завдань, таких як робота з ШІМ, РК-дисплеєм, дистанційним керуванням і т.д. Дуже добре та легко для новачків. Її конструкція є відкритою, тому якщо ви не бажаєте купувати Xboard v2.0, ви можете виготовити її самостійно.

Ціль нашого робота проста: необхідно рухатися в будь-якому місці, уникаючи перешкод. Завдання просте, і робот виконує її повністю самостійно. У нього є мозок, який зчитує інформацію з датчиків, приймає рішення та керує двигунами.

Під час створення робота ви дізнаєтеся про різні базові методи, які стануть вам у нагоді в майбутньому.

Механічна частина робота

Робот зібраний у якісному металевому корпусі, який можна придбати у магазині робототехніки. Робот рухається двома моторами-редукторами постійного струму 200 RPM. Він використовує систему диференціальної передачі і має одне рицинова колесо спереду. Колеса пов'язані безпосередньо з валом двигуна.

Двигуни кріпляться до шасі за допомогою гайки, що накручується на різьблення біля валу.

Xboard v2.0 монтується за допомогою монтажного комплекту, який йде в комплекті і включає болти, гайки і стійки. Xboard v2.0 зроблена так, що її отвори кріплення збігаються з отворами в корпусі.

Диференційна передача

Диференціальна передача дозволяє здійснити рух та керування за допомогою двох коліс. Немає необхідності в кермових колесах, як на велосипеді чи автомобілі. Для повороту транспортного засобу (або робота) ліве та праве колесо обертаються за різних швидкостей. Ось чому це називається диференційною передачею. Наприклад, якщо праве колесо обертається швидше за ліве, то робот повертає ліворуч.

На малюнку це показано наочно.

Таким чином, переміщення та керування роботом здійснюється шляхом керування двома двигунами, що легко робиться за допомогою xAPI. Докладніше про це написано за посиланнями:
http://xboard.extremeelectronics.co.in/Motor1.htm
http://xboard.extremeelectronics.co.in/Motor2.htm

У статтях розказано, як запустити двигун за годинниковою стрілкою чи проти неї. MotorA – правий двигун, MotorB – лівий двигун. Фрагменти коду показують роботу з двигунами.

Рух робота вперед:

Рух робота назад:

Поворот наліво:
MotorA(MOTOR_CW,255); // правий двигун обертається за годинниковою стрілкою (CW) з макс. швидкістю (255)
MotorB(MOTOR_CW,255); // лівий двигун обертається за годинниковою стрілкою (CW) з макс. швидкістю (255)

Поворот на право:
MotorA(MOTOR_CCW,255); // Правий двигун обертається проти годинникової стрілки (CCW) з макс. швидкістю
MotorB(MOTOR_CCW,255); // лівий двигун обертається проти годинникової стрілки (CCW) з макс. швидкістю (255)

Про MotorA та MotorB можна дізнатися докладніше, перейшовши за посиланням

Датчики

Безконтактні датчики допомагають роботу виявляти перешкоди своєму шляху. Датчики включають ІЧ-передавачі та ІЧ-приймачі. Як ІЧ-передавач використовується ІЧ-світлодіод, який випромінює світло в ІЧ-спектрі, невидимому для людського ока. ІЧ-приймач приймає ці промені.

ІЧ-датчик

ІЧ-датчик складається з ІЧ-приймача, ІЧ-передавача та кількох резисторів. Схема наведена нижче. Нам потрібні три такі датчики, встановлені на передню частину робота.

Як ви можете бачити, датчик має два контакти: живлення та вихід. На виході датчика може бути напруга від 0 до 5В залежно від відстані до перешкоди та її типу. Напруга наближається до 5В, коли перешкода поряд.

Номінал R1 150Ом, R2 22кОм. Код кольору показаний на схемі вище. Номінали резистори дуже важливі, тому використовуйте тільки резистори зазначеного номіналу. Короткий висновок інфрачервоного приймача чорного (напівпрозорого) кольору є позитивним висновком. Це не помилка, тому підключайте його саме так.

ІЧ-приймач та ІЧ-передавач повинні бути встановлені так, щоб ІЧ промені від ІЧ-передавача падали на перешкоди та відображалися в ІЧ-приймачі. Їхнє правильне розташування показано на картинці.

Вихід датчика підключається до АЦП AVR мікроконтролера. АЦП перетворює напругу на 10 бітове цифрове значення від 0 до 1024. Тобто, орієнтуючись на значення з АЦП, ви можете дізнаватись про наявність перешкод перед датчиком. Робота з АЦП Xboard v2.0 проста та описана за посиланням.

Якщо ми підключили датчик до ADC0, отримати інформацію з нього можна за допомогою наступної функції:
int sensor_value;
sensor_value=ReadADC(0); //Read Channel number 0

При використанні резисторів зазначених на схемі вище значення sensor_value становить близько 660 коли перед датчиком немає перешкоди, і 745 коли до перешкоди близько 15 см. Якщо перешкода знаходиться на відстані ближче ніж 6 см, то значення 1023. Це максимальне значення, і навіть якщо перешкода ще ближче, то значення не підвищується.

Зверніть увагу, що ці значення можуть змінюватись в залежності від типу перешкоди. Деякі об'єкти відбивають ІЧ промені краще чи гірше, ніж інші. Деякі об'єкти відображають інфрачервоні промені дуже погано, і не можуть бути виявлені. Ці результати були отримані при використанні долоні як перешкоди. Наприклад, ІЧ-промені погано відображає дерево, пофарбоване в темні кольори, наприклад, двері.

Об'єднання та підключення ІЧ-датчиків

Три ІЧ-датчики кріпляться на макетну плату, яка кріпиться на передню частину робота. Один датчик встановлений в центрі плати, а два інших справа і зліва відповідно.

Спочатку макетна плата обрізається до потрібних розмірів. Це можна зробити за допомогою невеликої ножівки по металу.

Тепер потрібно просвердлити два отвори для монтажу. Тоді ми можемо використовувати гвинти, гайки та стійки для встановлення плати на шасі. Я використовував електричний дриль, щоб зробити отвори за кілька секунд, але якщо його у вас немає, ви можете використовувати ручний дриль.

З іншого боку плати ми одягаємо розпірки на гвинти, щоб мати відстань між макетною платою та шасі.

Тепер макетну плату можна встановлювати на шасі

Зверніть увагу, що я використовую підстроювальні резистори замість постійних на 22кОм. Але ви повинні використовувати постійні резистори на 22кОм. Макетна плата підключається до Xboard v2.0 з використанням стандартного 8 вивідного конектора. Xboard v2.0 має 8 вивідний роз'єм для датчиків. Також у цьому роз'ємі є висновки +5В та GND для датчиків. Його розпинування показано нижче.

Підключіть правий датчик ADC0, центральний датчик ADC 1 і лівий датчик ADC 2. Датчики готові, і тепер можна перейти до їх тестування.

Тестування ІЧ-датчиків

Нижче наведено невелику тестову програму, яка зчитує значення з трьох датчиків і відображає його на РК-дисплеї. Для розуміння роботи програми прочитайте статтю Взаємодія з РК-дисплеєм за допомогою xAPI.

#include "avr/io.h" #include "util/delay.h" #include "lcd.h" void InitADC() ( ADMUX=(1

Скомпілюйте та прошийте програму в Xboard v2.0. Після цього підключіть РК-дисплей та плату з датчиками. На екрані мають бути значення з трьох датчиків, як показано нижче.

Коли ви підносите перешкоду до одного з датчиків, значення з нього має збільшуватися, а коли перешкода зовсім близько, то збільшитися до 1023. Запишіть значення датчиків, коли перешкоди перед ними немає і коли перешкода на відстані близько 15 см від нього. Ці значення знадобляться для налаштування програми робота.

Також я надав HEX файл, готовий для прошивки ATmega32 мікроконтролера (або ATmega16) і запуску в найкоротші терміни.

Якщо на дисплеї немає тексту, налаштуйте контрастність потенціометром.

Якщо датчики працюють не очікувалося, перевірте з'єднання. Для перевірки роботи ІЧ-світлодіодів використовуйте будь-яку цифрову камеру, наприклад, Handicam або камеру мобільного телефону. Невидимі для людського ока ІЧ-промені добре видно камері. Якщо світлодіоди не випромінюють ІЧ-промені, перевірте з'єднання.

Програмна частина

Завдання програми полягає в тому, щоб зчитувати значення з датчиків, приймати рішення та керувати двома двигунами. Таким чином, робот їздитиме кімнатою, об'їжджаючи все на своєму шляху.

Ми визначили три константи, а саме RTHRES, CTHRES та LTHRES: //Threshold Values ​​For Sensor Triggering #define RTHRES 195 #define CTHRES 275

Їхніми постійними величинами є внесені значення. Вони мають бути вже записані. Як їх одержати описано вище. Коли значення датчика наближається до цього порогового значення, програма сприймає це як перешкода. Зверніть увагу, що вказані вище значення можуть не відповідати вашим. Це нормально.

Програма починається з ініціалізації підсистеми двигуна та підсистеми АЦП: MotorInit(); InitADC();

Потім ми починаємо рухати робота вперед. Це робиться за допомогою звернення до функцій MotorAта MotorB. Першим аргументом є необхідний напрямок: MOTOR_STOP MOTOR_CW MOTOR_CCW

Другим аргументом є потрібна швидкість. Її значення може бути від 0 до 255. Ми використовуємо 25,5 щоб рухатися на повній швидкості.

Більш детальну інформацію про роботу з двигуном за допомогою xAPI можна знайти у документації Xboard v2.0.

Після того, як наш робот починає рухатися вперед, ми переходимо в нескінченний цикл, перевіряючи, якщо якась перешкода перед роботом. Якщо так, то робот повертає.

Завантажити прошивки та вихідники проекту у ви можете нижче

Датчики роботи механізмів - цифрові чи аналогові пристрої передачі інформації про роботу додаткових агрегатів транспортних засобів.

• Використовується у системі GPS/ГЛОНАСС моніторингу транспорту. Дозволяє знати скільки часу працював механізм, де працював, який пробіг був із включеним механізмом, скільки літрів палива було витрачено за кожну годину роботи.. Застосовується в системах GPS/ГЛОНАСС моніторингу для контролю механізмів, що обертаються або рухаються.
• В основному, датчик обертання застосовується контролю автобетоновозов. Датчик обертання дозволяє відстежувати всі розвантаження автобетоновоза і контролювати який був пробіг із включеним «міксером». Датчик обертання використовується також на будівельних кранах.При установці на валу лебідки легко контролювати інтенсивність роботи крана. Датчик обертання також може бути використаний на комунальній техніці для контролю швидкості та підрахунку оборотів транспортерної стрічки на піскорозкидальних автомобілях.
• Датчик фактичної роботи механізмів.

Застосовується у системах супутникового моніторингу контролю роботи спецтехніки.

Встановлюється на рухому частину і дозволяє контролювати, наскільки ефективно використовувалася техніка.

Датчик дозволяє визначити момент і тривалість підйому, наприклад, стріли і дізнатися, скільки всього часу використовувалася Ваша техніка.

Датчик кута нахилу

. Датчик кута нахилу простий у встановленні, має легке налаштування.

Датчик кута нахилу застосовується контролю транспортних засобів, які мають підйомний механізм. З його допомогою можна контролювати ККД роботи автокрана, екскаватора, рахувати кількість завантажених контейнерів на сміттєприбиральній техніки.

Кращі датчики від СтавТРЕК

Датчиків буває безліч. Перелічу лише ті різновиди датчиків, з якими доводиться стикатися електрику та електроннику.

Індуктивні.Активується наявністю металу у зоні спрацьовування. Інші назви - датчик наближення, датчик положення, індукційний датчик присутності, індуктивний вимикач, безконтактний датчик або вимикач. Сенс один, і не треба плутати. Англійською пишуть «proximity sensor». Фактично це – датчик металу.

Оптичні.Інші назви – фотодатчик, фотоелектричний датчик, оптичний вимикач. Такі застосовуються і в побуті, називаються «датчик освітленості»

Ємнісні.Спрацьовує на наявність практично будь-якого предмета чи речовини у полі активності.

Тиск. Тиск повітря чи масла немає - сигнал на контролер чи рве. Це якщо дискретний. Можливо датчик з струмовим виходом, струм якого пропорційний абсолютному тиску чи диференціальному.

Кінцеві вимикачі(Електричний датчик). Це звичайний пасивний вимикач, який спрацьовує, коли на нього наїжджає чи тисне об'єкт.

Датчики можуть називатися також сенсорамиабо ініціаторами.

Поки вистачить, перейдемо до статті.

Індуктивний датчик є дискретним. Сигнал на його виході з'являється, коли в заданій зоні є метал.

В основі роботи датчика наближення лежить генератор із котушкою індуктивності. Звідси й назва. Коли електромагнітному полі котушки з'являється метал, це поле різко змінюється, що впливає роботу схеми.

Поле індуктивного датчика. Металева пластина змінює резонансну частоту коливального контуру

Схема індуктивного датчика npn. Наведено функціональну схему, на якій: генератор з коливальним контуром, пороговий пристрій (компаратор), вихідний транзистор NPN, захисні стабілітрон і діоди

Більшість картинок у статті – не мої, наприкінці можна буде завантажити джерела.

Застосування індуктивного датчика

Індуктивні датчики наближення широко застосовуються в промисловій автоматиці, щоб визначити положення тієї чи іншої частини механізму. Сигнал з виходу датчика може надходити на вхід контролера, частоти перетворювача, реле, пускача, і так далі. Єдина умова - відповідність за струмом та напругою.

Робота індуктивного датчика. Прапорець рухається праворуч, і коли досягає зони чутливості датчика, датчик спрацьовує.

До речі, виробники датчиків попереджають, що не рекомендується підключати безпосередньо на вихід датчика лампочку розжарювання. Про причини я вже писав.

Типи індуктивних датчиків

Чим відрізняються датчики.

Майже все, що сказано нижче, стосується не тільки індуктивних, але й оптичним та ємнісним датчикам.

1. Конструкція, вид корпусу

Тут два основні варіанти - циліндричний та прямокутний. Інші корпуси застосовуються дуже рідко. Матеріал корпусу – метал (різні сплави) або пластик.

2. Діаметр циліндричного датчика

Основні розміри - 12 та 18 мм. Інші діаметри (4, 8, 22, 30 мм) використовуються рідко.

Щоб закріпити датчик 18 мм, потрібні 2 ключі на 22 або 24 мм.

3. Відстань перемикання (робочий зазор)

Це та відстань до металевої пластини, на якій гарантується надійне спрацювання датчика. Для мініатюрних датчиків це відстань - від 0 до 2 мм, для датчиків діаметром 12 і 18 мм - до 4 і 8 мм, для великогабаритних датчиків - до 20...30 мм.

4. Кількість дротів для підключення

Підбираємось до схемотехніки.

2-провідні.Датчик вмикається безпосередньо в ланцюг навантаження (наприклад, котушка пускача). Так само, як ми включаємо вдома світло. Зручні при монтажі, але примхливі до навантаження. Погано працюють і при великому, і при невеликому опорі навантаження.

2-провідний датчик. Схема включення

Навантаження можна підключати в будь-який провід, для постійної напруги важливо дотримуватися полярності. Для датчиків, розрахованих працювати із змінним напругою - не відіграє ролі ні підключення навантаження, ні полярність. Можна взагалі не думати, як їх підключати. Головне – забезпечити струм.

3-провідні.Найбільш поширені. Є два дроти для живлення, і один – для навантаження. Докладніше розповім окремо.

4- та 5-провідні.Таке можливо, якщо використовуються два виходи на навантаження (наприклад, PNP і NPN (транзисторні), або перемикаючі (реле). П'ятий провід - вибір режиму роботи або стану виходу.

5. Види виходів датчиків за полярністю

У всіх дискретних датчиків може бути лише 3 види виходів залежно від ключового (вихідного) елемента:

Релейний.Тут усе зрозуміло. Реле комутує необхідну напругу чи одне із проводів живлення. При цьому забезпечується повна гальванічна розв'язка від схеми живлення датчика, що є основною перевагою такої схеми. Тобто, незалежно від напруги живлення датчика, можна вмикати/вимикати навантаження з будь-якою напругою. Використовується переважно у великогабаритних датчиках.

Транзисторний PNP.Це - датчик PNP. На виході – транзистор PNP, тобто комутується «плюсовий» провід. До «мінуса» навантаження підключено постійно.

Транзисторні NPN.На виході – транзистор NPN, тобто комутується «мінусовий», або нульовий провід. До "плюсу" навантаження підключено постійно.

Можна чітко засвоїти різницю, розуміючи принцип дії та схеми включення транзисторів. Допоможе таке правило: Куди підключений емітер, провід і комутується. Інший провід підключений до навантаження постійно.

Нижче будуть дані схеми включення датчиків, на яких буде добре видно ці відмінності.

6. Види датчиків за станом виходу (НЗ та ПЗ)

Який би не був датчик, один з основних параметрів - електричний стан виходу в той момент, коли датчик не активований (на нього не виробляється будь-який вплив).

Вихід у цей час може бути включений (на навантаження подається харчування) або вимкнений. Відповідно, кажуть - нормально закритий (нормально замкнутий, НЗ) контакт чи нормально відкритий (АЛЕ) контакт. В іноземній апаратурі - NO та NC.

Тобто, головне, що треба знати про транзисторні виходи датчиків – те, що їх може бути 4 різновиди, залежно від полярності вихідного транзистора та від вихідного стану виходу:

• PNP NO
• PNP NC
• NPN NO
• NPN NC

7. Позитивна та негативна логіка роботи

Це поняття відноситься швидше до виконавчих пристроїв, які підключаються до датчиків (контролери, реле).

НЕГАТИВНА або ПОЗИТИВНА логіка відноситься до рівня напруги, який активізує вхід.

НЕГАТИВНА логіка: вхід контролера активізується (логічна «1») під час підключення до ЗЕМЛІ. Клему S/S контролера (загальний провід для дискретних входів) необхідно з'єднати з +24 В=. Негативна логіка використовується для датчиків типу NPN.

Позитивна логіка: вхід активізується при підключенні до +24 =. Клему контролера S/S необхідно з'єднати із Землею. Використовуйте позитивну логіку датчиків типу PNP. Позитивна логіка застосовується найчастіше.

Існують варіанти різних пристроїв та підключення до них датчиків, питайте у коментарях, разом подумаємо.

Продовження статті - . У другій частині дано реальні схеми та розглянуто практичне застосування різних типів датчиків з транзисторним виходом.

Завантажити інструкції та посібники на деякі типи індуктивних датчиків:

/ Індуктивні датчики наближення. Детальний опис параметрове, pdf, 135.28 kB, скачан:1079 разів./

/ Каталог датчиків наближення Autonics, pdf, 1.73 MB, скачан:540 разів./

/ Каталог датчиків наближення Omron, pdf, 1.14 MB, скачан:667 разів./

/ Чим можна замінити датчики ТЕКО, pdf, 179.92 kB, скачан:537 разів./

/ Датчики фірми Turck, pdf, 4.13 MB, скачан:462 разів./

/ Схема включення датчиків за схемами PNP і NPN у програмі Splan/ Вихідний файл., rar, 2.18 kB, скачан:1219 разів./

Реальні датчики

Датчики купити проблематично, товар специфічний, і в магазинах електрики майже не продають. Тому даю приклади реальних датчиків, які можна придбати у Китаї.

• Індукт. Датчик PNP- живлення постійного струму, 6-36В, нормально відкритий, циліндричний, діаметр 12 мм, відстань до об'єкта – 4 мм, струм виходу – до 300 мА. Прекрасний приклад та ціна.
• Індукт. Датчик PNP- Датчик приблизно такий, але ціна нижче, так як опт - 10 шт.
• Індукт. Датчик NPN прямокутний- цей датчик набагато краще у кріпленні. У деяких місцях незамінний.
• Оптичні інфрачервоні датчики дифузного відображення (від об'єкта)- Великий вибір датчиків.

Останнім часом на ринку DIY-електроніки з'явилося багато роботів, виконаних на базі Arduino. Кожен з них має свої переваги та недоліки. Хотілося б представити вашій увазі ще одну новинку – набір «Смарт РОБО» від компанії «Розумні Елементи».

Набір виконаний у вигляді конструктора, призначеного для збирання готового робота під керуванням Arduino. У рамках стандартних можливостей виробу передбачено не лише поетапне складання, але й виконання програмування для роботи у різних режимах. Набір включає покрокову інструкцію російською мовою, в якій детально розповідається про процес складання платформи, підключення елементів та встановлення електронних деталей.

Також цей посібник знайомить користувача з видами датчиків, що використовуються в роботі (інфрачервоні датчики перешкоди, цифрові датчики лінії, інфрачервоний приймач). У ньому докладно показано, як протестувати датчики наявність несправностей. Крім того, завдяки використанню інструкції ви зможете зрозуміти принцип роботи пристрою, навчитеся підключати та запускати контролер, а також завантажувати в нього потрібний скетч. Для зручності користувачів всі деталі набору упаковані в індивідуальне впакування та кожна з них підписана.

Робот працює у трьох стандартних режимах:

1. Рух по лінії. У цьому режимі робот переміщається заздалегідь заданою траєкторією за допомогою двох цифрових датчиків лінії. За рахунок використання таких датчиків робот легко долає як плавні повороти, так і складніші ділянки траси, які мають, наприклад, форму вісімки. Невелика тестова траса входить у комплект.

1. Об'їзд перешкод. Платформа оснащена чотирма інфрачервоними датчиками, які допомагають виявити перешкоди шляху руху робота. Завдяки спеціальному алгоритму переміщення робота рухається безперешкодно і не застряє в кутах.

1. Дистанційне керування. Готовий робот приймає команду з пульта дистанційного керування за допомогою інфрачервоного приймача. Пристрій підпорядковується командам аналогічно іграшковому радіокерованому автомобілю.

В основі пристрою робота лежать високоякісні датчики та мікроконтролерна плата від компанії Keyestudio, яка є абсолютним аналогом оригінальної плати Arduino Uno, не поступаючись їй за зовнішніми характеристиками та технічними параметрами. Шасі виконано на акриловій основі з чотирма електромоторами N20, забезпеченими редукторами.

До важливих переваг «Смарт РОБО», які роблять набір привабливим на тлі конкурентів, належать:

• У комплекті є все необхідне для збирання.Набір є повноцінним, готовим до роботи пристроєм. Крім основних базових елементів, у комплект входять додаткові елементи: викрутки для збирання платформи та кріплення елементів, а також батарейка для автономної роботи робота;
• Передбачена покрокова інструкція зі збирання та налаштування.Даний посібник дозволяє поетапно пройти весь шлях: від складання механічної частини робота до завантаження готової програми до контролера;
• Три різні режими роботи.Допускається доопрацювання кожного режиму на власний розсуд;
• Можливість збирання без паяльника.Підключення всіх проводів виконується з використанням швидкороз'ємних з'єднувачів та гвинтових клем. Тобто користувачеві залишається лише з'єднати елементи один з одним;
• Безпека.Живлення робота передбачає використання звичайної батареї потужністю 9 вольт.
• Універсальність.Функціональні можливості робота не обмежуються трьома стандартними режимами. Ви можете самостійно доопрацювати існуючу конструкцію чи розробити щось нове. Монтажні майданчики забезпечені універсальними кріпленнями, що дозволяє суттєво розширити або повністю замінити склад модулів та датчиків. Можливості робота залежать лише від вашої фантазії.

Набір буде корисним не лише новачкам, а й тим, хто володіє знаннями в галузі програмування контролерів та мріє їх розширити. Також виріб може грати роль посібника на уроках фізики, інформатики та електротехніки. У разі потреби його можна використовувати як поетапний посібник для дії на гуртку робототехніки.

Дізнатися докладнішу інформацію про набір «Смарт РОБО» можна на офіційному

Датчики грають у робототехніці одну з найважливіших ролей. За допомогою різних сенсорів робот відчуває навколишнє середовище та може орієнтуватися у ньому. За аналогією з живим організмом – це органи почуттів. Навіть звичайний саморобний робот не може повноцінно функціонувати без найпростіших датчиків. У цій статті ми докладно розглянемо всі види датчиків, які можна встановити на робота, та корисність їх застосування.

Тактильні рецептори

Тактильні рецептори наділяють робота можливістю реагувати на контакти (сили), що виникають між ним та іншими об'єктами в робочій зоні. Зазвичай цими датчиками оснащують промислові маніпулятори, а також роботів із медичним застосуванням. Машини, оснащені тактильними сенсорами, ефективно справляються з операціями збирання та контролю, тобто функціями, які вимагають враховувати тонкощі роботи.

Розробляючи сучасних гуманоїдних роботів, виробники оснащують їх цими сенсорами, щоб зробити машини ще більш «живими», здатними сприймати інформацію про навколишній світ буквально на дотик.

Оптичні датчики

При побудові робота просто не обійтися без оптичних датчиків. За допомогою них апарат «бачитиме» все довкола. Ці рецептори працюють за допомогою фоторезистора. Датчик відображення (випромінювач та приймач) дозволяє визначати білі або чорні ділянки на поверхні, що дозволяє, наприклад, колісному роботу рухатися по намальованій лінії або визначити близькість перешкоди. Джерелом світла часто є інфрачервоний світлодіод з лінзою, а детектором - фотодіод або фототранзистор.

На окрему увагу заслуговують відеокамери. По суті це очі робота. Цей тип датчиків на сьогоднішній день широко використовується завдяки зростанню технологій у сфері обробки зображень. Як розумієте, окрім роботів, застосувань відеокамерам достатньо: системи авторизації, розпізнавання образів, виявлення руху у разі охоронної діяльності тощо.

Звукові датчики

Ці датчики служать для безпечного пересування роботів у просторі за рахунок вимірювання відстані до перешкоди від кількох сантиметрів до кількох метрів. До них відносяться мікрофон (дозволяє фіксувати звук, голос і шум), далекоміри, які є датчиками, що вимірюють відстань до найближчих об'єктів та інші ультразвукові сенсори. УЗ особливо широко використовуються практично у всіх галузях робототехніки.

Робота ультразвукового датчика ґрунтується на принципі ехолокації. Ось як це працює: динамік приладу видає УЗ імпульс на певній частоті та заміряє час до моменту його повернення на мікрофон. Звукові локатори випромінюють спрямовані звукові хвилі, які відбиваються від об'єктів, і частина цього звуку знову надходить у датчик. При цьому час надходження та інтенсивність такого зворотного сигналу несуть інформацію про відстань до найближчих об'єктів.

Для автономних підводних апаратів переважно використовуються технології підводних гідролокаторів, а на землі звукові локатори в основному використовуються для запобігання зіткненням лише в найближчих околицях, оскільки ці датчики характеризуються обмеженим діапазоном.

До інших пристроїв, альтернативних по відношенню до звукових локаторів, відносяться радари, лазери та лідари. Замість звуку в цьому типі далекомірів використовується відбитий від перешкоди лазерний промінь. Ці датчики отримали більш широке застосування у розробці автономних автомобілів, оскільки дозволяють транспортному засобу ефективніше справлятися з дорожнім рухом.

Датчики положення

Цей вид датчиків використовується переважно в безпілотних транспортних засобах, промислових роботах, а також пристроях, що потребують самобалансування. До датчиків положення належать GPS (система глобального позиціонування), орієнтири (виконують роль маяка), гіроскопи (визначення кута обертання) та акселерометри. GPS - це супутникова система навігації, що забезпечує вимірювання відстані, часу та визначає місце розташування робота в просторі. GPS дозволяє безпілотним наземним, повітряним і водним транспортним засобам знаходити свій маршрут і легко рухатися від однієї точки до іншої.

Гіроскопи у робототехніці також поширена річ. Вони відповідають за балансування та стабілізацію будь-якого пристрою. А за рахунок того, що ця деталь є відносно недорогою, її можна встановити в будь-який саморобний робот.

Акселерометр – це датчик, що дозволяє роботу вимірювати прискорення тіла під дією зовнішніх сил. Цей прилад схожий на масивне тіло, здатне пересуватися вздовж деякої осі та з'єднане з корпусом пружинами приладу. Якщо такий прилад штовхнути праворуч, то вантаж зміститься по напрямній ліворуч від центру осі.

Датчики нахилу

Дані сенсори використовуються в роботах, де потрібно контролювати нахил, для підтримки рівноваги та щоб уникнути перевороту апарата на нерівній поверхні. Існують як з аналоговими, так і цифровими інтерфейсами.

Інфрачервоні датчики

Найдоступніший і найпростіший вид датчиків, які застосовуються в роботах для визначення наближення. Інфрачервоний датчик самостійно посилає інфрачервоні хвилі і, зловивши відбитий сигнал, визначає перешкоди перед собою.

У режимі "маяк" даний датчик посилає постійні сигнали, по яких робот зможе визначати приблизний напрямок і віддаленість маяка. Це дозволяє запрограмувати робота таким чином, щоб він завжди прямував у бік цього маяка. Низька вартість цього датчика дозволяє встановлювати його практично на всі саморобні роботи, і таким чином, оснащувати їх здатністю уникати перешкод.

Датчики температури

Датчик температури – ще один корисний прилад, який часто використовується у сучасних пристроях. Він служить для автоматичного вимірювання температури у різних середовищах. Як і в комп'ютерах, у роботах прилад використовується для контролю температури процесора та його своєчасного охолодження.

Ми розглянули всі основні сенсори, які використовуються в робототехніці і дозволяють роботу бути більш спритним, маневреним і продуктивним.

У цій статті ми розглянемо кілька схем роботів, у яких реалізовано такі варіанти поведінки:
1. Об'їжджає перешкоду при контакті з ним "вусиками".
2. Уникає перешкод без контакту (ІК бампер).
3. Упирається "вусиками" у перешкоду, від'їжджає назад, робить поворот, потім продовжує рух.
4. Уникає перешкоди з розворотом (ІК бампер).
5. Слідує за об'єктом, зберігаючи дистанцію (ІК бампер).

Перед тим як приступити до розгляду схем коротко розберемо особливості мікросхеми L293.

Рис.1. Розміщення висновків мікросхеми L293D

Усередині неї є два драйвери для керування електромоторами.
Мотори підключаються до виходів OUTPUT. Ми маємо можливість підключити два двигуни постійного струму.
8-й та 16-й висновки мікросхеми підключаються до плюсу живлення. Підтримується роздільне харчування, тобто. 16-й висновок (Vss) призначений для живлення самої мікросхеми (5 вольт), а контакт Vs (8-й висновок) можна підключити до джерела живлення двигунів. Максимальна напруга силової частини складає 36 вольт.
Я їх не поділятиму і в усіх схемах підключу до спільного джерела живлення.
Мінус живлення або земля (GND) підключається до висновків № 4, 5, 12, 13. Ці контакти, крім того, забезпечують тепловідведення мікросхеми, тому при паянні на плату для цих висновків бажано виділити збільшену металізовану область.
Ще мікросхема має входи ENABLE1 та ENABLE2.
Для включення драйверів, потрібна наявність логічної одиниці на цих висновках, простіше кажучи 1-й та 9-й висновки підключаємо до плюсу живлення.
Також є входи INPUT для керування двигунами.

Рис.2. Таблиця відповідності логічних рівнів на входах та виходах.

Вище представлена ​​таблиця, якою можна зрозуміти, що й на вхід INPUT1 подати логічної одиницю, тобто. з'єднати з плюсом джерела живлення, а вхід INPUT2 - з мінусом, то мотор М1 почне обертатись у певну сторону. А якщо поміняти місцями логічні рівні на цих входах, то двигун М1 буде обертатися в інший бік.
Аналогічно відбувається і з другою частиною, до якої підключається двигун М2.

Саме ця особливість і використана у представлених схемах роботів.

Схема №1. Робот об'їжджає перешкоду при контакті з ним "вусиками".

Рис.3. Схема №1. З механічними датчиками перешкод.

Після подачі живлення двигуни будуть обертатися в певний бік, рухаючи робота вперед. Це відбувається за рахунок того, що на INPUT1 через резистор R2 надходить сигнал високого рівня, як і на вході INPUT4. Транзистор VT1 надійно закритий, база стягнута на мінус живлення, на колектор струм не втікає.
Пояснювати буду по лівої частини, т.к. обидві частини симетричні.
На вході INPUT2 через резистор R3 встановлюється логічний 0. Судячи з таблиці (рис.2) мотор обертається певну сторону. У правій частині схеми відбувається те саме і робот їде вперед.
У схемі є ключі (SB1, SB2), як застосовані SPDT перемикачі. На них за допомогою термоклею прикріплюються скріпки та виходять датчики перешкод.

Рис.4. Зі скріпок зроблені датчики "усики".

Коли такий датчик упирається у перешкоду, ключ замикається і вхід INPUT2 виявляється підключеним до плюс живлення, тобто. подається логічна "1". У цей момент часу відкривається і транзистор, унаслідок чого логічна одиниця на вході INPUT1 змінюється логічним нулем. Двигун при натиснутій кнопці обертається в інший бік. Ривками відбуваються мікроперемикання і двигун розгортає робота від перешкоди, до того моменту, поки датчик перестане стикатися з перешкодою.

Як ви вже здогадалися, перемикачі або самі мотори потрібно розташувати навхрест.

Схема №2. Робот уникає перешкод без контакту (ІК бампер)

Ще цікавіша поведінка можна реалізувати, якщо як датчики використовувати TSOP-приймачі для прийому інфрачервоних сигналів. Це буде якась подоба ІЧ-бампера.
Отже, тепер схема виглядає в такий спосіб.

Рис.5. Схема №2. З інфрачервоними датчиками перешкод.

"Модуль прийому ІЧ" працює так: при надходженні інфрачервоного сигналу на TSOP-приймач на його виході з'являється негативна напруга, яка відмикає PNP транзистор, і струм із плюсу живлення надходить на вхідний ланцюг мікросхеми. Якщо минулого разу були використані механічні перемикачі, з так званими вусиками із скріпок, то нова схема дозволить роботу не врізатися в перешкоду, а реагувати на неї з певної дистанції. Це виглядає так:

Приймальна частина виконана таким чином: два абсолютно однакові модулі (лівий і правий) скріплені між собою (рис.8).

Як приймачі використані TSOP1136 з робочою частотою 36 кГц. Розташування висновків представлено малюнку нижче.

Рис.6. TSOP1136.

З приймачами ми розібралися, але виявлення перешкод потрібно у простір перед роботом посилати інфрачервоне випромінювання з певною частотою. Робоча частота приймачів буває різна, у разі вона становить 36 кГц. Тому на мікросхемі NE555 було зібрано генератор імпульсів на цю частоту, а до виходу підключені випромінюючі діоди інфрачервоного діапазону.


Рис.7. Схема випромінювача NE555.

На шасі робота закріплений фрагмент макетної плати, на яку можна встановити бажану кількість ік-діодів.
На діоди бажано надіти термозбіжні трубочки або щось подібне, щоб вони світили вперед, а не в різні боки.

Рис.8. ІЧ бампер.

Після подачі живлення робот може відступити назад, це через занадто велику чутливість TSOP-приймачів. Вони сприймають відбитий сигнал навіть підлоги, стін та інших поверхонь. Тому в схемі випромінювача ІЧ-сигналу (рис.7) використаний підстроювальний резистор, за допомогою нього зменшуємо яскравість інфрачервоних діодів і досягаємо бажаної чутливості.

Схема №3. Такий робот від'їжджає назад від перешкоди, роблячи поворот.

Розгляньмо ще одну цікаву схему.

Рис.9. Схема №3.

Коли такий робот упирається у перешкоду одним із своїх вусиків, то він від'їжджає назад, роблячи невеликий поворот, потім після невеликої паузи робот продовжує рух. Поведінка показана на анімації нижче:

Ця схема теж повністю сумісна з інфрачервоним бампером від попередньої схеми.

У схемі з'явилися електролітичні конденсатори між емітером та базовими резисторами транзисторів VT1 та VT2. З'явилися діоди VD1, VD2 та світлодіоди HL1, HL2.
Давайте по порядку розберемо, для чого потрібні ці додаткові компоненти.
Отже, коли замикається перемикач SB1, тобто. перший датчик, струм від плюса живлення через діод VD1 і струмообмежуючий резистор R1 надходить на базу транзистора. Він відкривається, змінюючи логічний рівень на вході INPUT1, на вході INPUT2 рівень також змінюється.
У цей момент струм надходить також на конденсатор C1 і він заряджається. Мотор М1 різко змінює напрямок обертання і робот від'їжджає назад від перешкоди. На відео можна помітити, що другий мотор теж змінює напрямок руху, але на більш короткий проміжок часу. Це відбувається через те, що при замиканні датчика SB1 струм від плюсу живлення надходить також і на праву частину схеми, через світлодіод HL2. Світлодіоди не тільки подають короткочасний сигнал про зіткнення з перешкодою, але і є гасником напруги, що надходить на протилежну половину схеми. Простіше кажучи, при замиканні ключа SB1 конденсатор C2 заряджається менше, ніж C1. А при замиканні ключа (датчика) SB2 відбувається те саме, але навпаки - С2 заряджається більше (тобто напруга на його обкладках більше). Це дозволяє не тільки від'їхати від перешкоди, а й трохи відвернутися від неї. Кут цього відвертання залежить від ємності конденсаторів C1 та С2. Конденсатори ємністю 22 мкФ, як на мене, є оптимальними. При ємності 47 мкФ кут повороту буде більшим.
Також на відео можна помітити, що після того, як робот від'їжджає назад від перешкоди, то є невелика пауза перед тим як він поїде вперед. Це з-за розрядки конденсаторів, тобто. У деякий момент часу логічні сигнали на входах INPUT врівноважуються і драйвер на секунду перестає розуміти, в який бік обертати двигун. Але коли C1 та С2 розрядяться, на входах INPUT встановляться початкові логічні рівні.
Діоди VD1 та VD2 перешкоджають розрядці конденсаторів через світлодіоди HL1, HL2. Без світлодіодів схема не працює.

Схема №4. Попередня схема з ІЧ бампером.

Ця схема відрізняється від попередньої тим, що замість механічних датчиків тут використані інфрачервоні (ІК бампер).

Рис.10. Схема №4.

Колектори PNP транзисторів VT1 і VT2 при виявленні перешкоди подадуть сигнал на вхідний ланцюг мікросхеми. Далі все відбувається, як було описано раніше, тільки такий робот при виявленні перешкоди перед собою від'їжджає назад, робить поворот, потім продовжує рух.
Поведінка показана на анімації нижче:

У робота буде різкіша поведінка, якщо зменшити ємність конденсаторів C1 і C2 наприклад до 1 мкФ (мінімальна ємність 0,22 мкФ).

Як зробити так, щоб робот прямував за об'єктом?

У всіх схемах, представлених вище, датчики-сенсори або самі мотори повинні бути розташовані навхрест. А при прямому підключенні (коли лівий датчик "командує" лівим двигуном, правий - правим) робот не уникатиме перешкоди, а навпаки слідуватиме за ним. Завдяки прямому підключенню можна досягти дуже цікавої поведінки робота - він активно переслідуватиме об'єкт, зберігаючи певну дистанцію. Відстань до об'єкта залежить від яскравості ІЧ діодів на бампері (налаштувати).

Ще трохи фотографій:

У шасі використано металеві деталі від конструктора. Макетна плата відкидається для зручності заміни батарейок.

Живлення робота здійснюється від 4-х батарей АА.

Варіанти виготовлення корпусу та шасі для робота обмежуються лише вашою фантазією, тим більше у продажу є багато готових рішень. У разі схема буде перенесено на плату, т.к. купа дротів це не естетично. Також будуть встановлені акумулятори із схемою підзарядки. А які ще доробки можна зробити або додати нові функції – це все ви можете запропонувати у коментарях.

До цієї статті є відео, в якому детально описано роботу схем і продемонстровано різні варіанти поведінки робота.

Список радіоелементів

Позначення	Тип	Номінал	Кількість	Примітка	Магазин	Мій блокнот
	Елементи схеми №1 та №2 (крім ІЧ бампера)
VT1, VT2	Біполярний транзистор	2N3904	2			До блокноту
R1, R2, R4, R6	Резистор	10 ком	4			До блокноту
R3, R5	Резистор	4.7 ком	2			До блокноту
C1		100 мкФ	1			До блокноту
	Елементи "модуля прийому ІЧ" на схемі №2, №4
VT1, VT2	Біполярний транзистор	2N3906	2	КТ361, КТ816		До блокноту
R1, R2	Резистор	100 Ом	2			До блокноту
C1, C2	Електролітичний конденсатор	10-47 мкФ	2			До блокноту
	Елементи "модуля випромінювання ІЧ сигналу" рис.7
R1	Резистор	1 ком	1			До блокноту
R2	Резистор	1.5 ком	1			До блокноту
R3	Змінний резистор	20 ком	1	для налаштування яскравості FD1, FD2		До блокноту
C1	Конденсатор керамічний	0.01 мкф	1			До блокноту
C2	Конденсатор керамічний	0.1 мкФ	1			До блокноту
FD1, FD2	ІЧ діод		2	Будь-який

Щоб напрацювати досвід роботи з платою Arduino, так би мовити як навчальний досвід і просто для інтересу був створений цей проект. Метою проекту було створити автомобіль, який може автономно переміщатися, об'їжджаючи різні перешкоди та не стикаючись із ними.

Крок 1: Список компонентів та вартість проекту

1. Іграшкова машинка з радіокеруванням (radio controlled).

Коштує ця штука близько 20 доларів, якщо у вас є можливість витратити більше, то можете використовувати і краще.

2. Arduino Uno мікроконтролер – 25 доларів

3. Motor shield для контролю електромоторів – 20 доларів

4. GPS для навігації. Adafruit Ultimate GPS Shield - 50 доларів

5. Магнітометр як компас для навігації. Adafruit HMC5883 Magnetometer - 10 доларів

6. Ультразвуковий датчик відстані, щоб запобігти перешкодам. HC-SR04 - 6 доларів

7. РК-дисплей для відображення стану транспортного засобу та інформації. LCD Display Blue 1602 IIC, I2C TWI - 6 доларів (можете використати інший)

8. Інфрачервоний датчик та пульт.

9. Arduino sketch (програма C++).

10. Тонка дерев'яна плита як монтажна платформа.

11. Макетні плати. Одна довга та вузька, а інша маленька, щоб окремо встановити на ній магнітометр подалі від інших елементів.

12. Перемички.

13. Набір для монтажу ультразвукового датчика – 12 доларів

14. Паяльник та припій.

Отже, загалом на все пішло близько 150 доларів, це за умови, якщо закуповувати всі ці компоненти, оскільки можливо у вас вже є щось із цього.

Крок 2: Шасі та монтаж платформи

Радіоуправління вилучили з непотрібної іграшки, яка коштувала 15 доларів.

Машинка тут із двома двигунами. За допомогою одного движка пультом контролюється швидкість руху робота, а за допомогою іншого контролюється кермо.

Використовувалася тонка дошка як монтажна поверхня, на якій були прикріплені макетні плати, Arduino, РК і т.д. Батарейки розміщені під дошкою та дроти пропущені через просвердлені отвори.

Крок 3: Програма

Arduino управляється через програму З++.

Вихідний код

RC_Car_Test_2014_07_20_001.ino

Крок 4: РК-дисплей

Під час роботи екран відображає таку інформацію:

Ряд 1:

1. TH - Завдання, курс до поточної маршрутної точки

2. CH - Поточний напрямок робота

Ряд 2:

3. Err - Напрямок компасом, показує у якому напрямі рухається робот (вліво чи вправо)

4. Dist - Фокусна відстань (в метрах) до поточної маршрутної точки

Ряд 3:

5. SNR - Sonar відстань, тобто відстань до будь-яких об'єктів у передній частині робота

6. Spd - Швидкість робота

Ряд 4:

7. Mem – Пам'ять (в байтах). У пам'яті Arduino є 2 КБ

8. WPT n OF x - Показує, де робот перебуває у списку маршрутних точок

Крок 5: Уникнути зіткнення з об'єктами

Щоб робот уникав перешкод, тут використовувався ультразвуковий датчик Ping. Було вирішено поєднати його з бібліотекою Arduino NewPing, оскільки вона краща, ніж проста бібліотека PIng.

Бібліотека була взята звідси: https://github.com/fmbfla/Arduino/tree/master/NewPing

Датчик було встановлено на бампері робота.

На відміну від людини, роботи не обмежені лише зором, слухом, дотиком, нюхом та смаком. Датчики роботів бувають різних типів. В першу чергу роботи використовують різні електромеханічні датчики, щоб дослідити та зрозуміти навколишній світ і самих себе.

Відтворити органи почуттів живої істоти зараз дуже складно. Через це дослідники та розробники вдаються до альтернатив біологічних почуттів.

Що можуть відчувати люди, але не можуть відчувати роботу?

За допомогою камер роботи можуть “бачити”, але мають труднощі з розуміння того, що вони бачать. Робот може отримати з камери зображення, що складається із мільйонів пікселів. Але без складного програмування, він не знатиме, що будь-яка з цих точок позначає.

Датчики відстані вказують відстань до об'єкта, але потрібно, щоб робот не врізався у перешкоду чи об'єкт. Дослідники та компанії експериментують з різними підходами до датчиків роботів. Додатково розробляються датчики, які дозволяє роботу не тільки "бачити", але "розуміти", що він бачить.

Це може зайняти тривалий час, перш ніж зможе розрізнити об'єкти, розташовані перед ним на столі. Особливо якщо вони розташовані не так, як у базі даних об'єктів.

Роботи дуже погано розрізняють те, що пов'язане зі смаком чи нюхом.

Людина може сказати вам, “це є на смак солодким” або “це погано пахне”, тоді як роботу необхідно провести аналіз хімічного складу. Потім потрібно шукати речовини в базі даних, щоб визначити, що у людини відзначено на смак як "солодке" або запах як "поганий".

Такі датчики роботів як датчики смаку та нюху розроблялися мало. Насамперед тому, що не було великого попиту на робота, який може розрізняти смак чи запах.

Люди мають безліч нервових закінчень на всій своїй шкірі, і ми знаємо, коли ми торкнулися якогось предмета або щось торкнулося нас. Роботи обладнані кнопками або простими контактами, розміщеними у стратегічно важливих місцях. Наприклад, на передньому бампері, щоб визначити, чи він вступає в контакт з об'єктом.

Роботи типу «домашні тварини» можуть мати контакти або групу датчиків, розташованих на голові, ногах чи спині, але якщо ви спробуєте торкнутися зони, де немає датчика, робот не зрозуміє, що його стосувалися, і не реагуватиме. Оскільки дослідження в галузі гуманоїдних роботів продовжуються, можливо, такі датчики роботів як електромеханічна шкіра буде розвиватися.

Що можуть відчувати роботи, але не можуть люди відчувати?

Робот не може сказати вам приємну на смак чи запах речовину. Хоча етапи аналізу хімічного складу можуть дати йому набагато більше інформації, ніж нормальна людина може знати про її властивості. Якщо робот оснащений датчиком окису вуглецю, він зможе виявити чадний газ.

Це підвищить безпеку, оскільки чадний газ не має кольору та запаху для людини. Робот також зможе сказати вам рівень рН речовини. Отже може визначити, чи вона кисла чи лужна, і багато, багато іншого.

Люди використовують пару очей, щоб отримати візуальну інформацію, хоча багато людей не можуть визначити точно відстань до об'єкта. Людина може сказати вам, що до дерева близько 20 метрів. В той же час робот, оснащений датчиками відстані, може сказати вам, що до дерева 21.1 метра.

Крім того, роботи можуть дати точні значення різних факторів навколишнього середовища, про які люди не знають чи не здатні сприймати.

Наприклад, робот може сказати вам, яке у нього точне кутове або лінійне прискорення. Хоча більшість людей більшість людей швидше за все визначить, що він пересувається або повертає.

Людина може сказати вам на основі свого досвіду, що предмет гарячий або холодний, не торкаючись його. У той час як тепловізор може надати 2D теплове зображення перед ним. Хоча людина має п'ять основних почуттів, датчики роботів можуть мати практично нескінченну кількість різновидів.

Які датчики потрібні для вашого робота?

Отже, які типи датчиків доступні, а які датчики потрібні вашій роботі? Ви повинні спершу запитати себе, для яких цілей потрібен робот і що він повинен вимірювати. Потім нижче можна переглянути які бувають типи датчиків для роботів.

Є велика ймовірність того, що вам не підійде жодна з наведених нижче категорій, тому постарайтеся визначити основні елементи робота і розбити завдання на складові.

Датчики для роботів бувають:

1. контактні
2. дистанційні
3. позиціонування
4. реагують на умови довкілля
5. що використовують обертання
6. та інші

Контактні датчики.

- Кнопка / контактний вимикач.

Перемикачі, кнопки та контактні датчики використовуються для виявлення фізичного контакту між об'єктами, а не обмежуються лише людьми, які натискають на кнопки.

Бампер робота може бути оснащений датчиком торкання або кнопкою. Додатково вуса (як і у тварини) можуть використовуватися для виявлення об'єкта на різних відстанях.

• Переваги:дуже низька ціна, простота інтеграції, надійність.
• Недоліки:відстань виміру обмежена.

- Датчики вимірювання тиску

Кнопка, яка пропонує одне із двох можливих показань (ON або OFF). В результаті датчик робота виробляє вихідний сигнал, пропорційний силі, що додається до нього.

• Переваги:дозволяє вимірювати, скільки сили застосовується.
• Недоліки:можуть бути неточними та складнішими у використанні, ніж прості комутатори.

Дистанційні датчики

- Ультразвукові датчики

Датчики, які використовують ультразвукові сигнали для вимірювання часу між відправкою сигналу та поверненням його луна-сигналу називаються ультразвуковими. Датчики роботів у цьому випадку створені на основі вивчення кажанів, дельфінів та інших тварин.

Ультразвукові далекоміри можуть вимірювати діапазон відстаней, але використовуються, зокрема, в повітрі і залежать від здатності, що відбиває різних матеріалів.

• Переваги:вимір середнього діапазону (кілька метрів).
• Недоліки:поверхні та фактори навколишнього середовища можуть вплинути на показання.

- Інфрачервоні датчики

Інфрачервоний діапазон також можна використовувати для вимірювання відстані. Деякі інфрачервоні датчики вимірюють одну конкретну відстань, тоді як інші забезпечують вихідний сигнал, пропорційний відстані до об'єкта.

• Переваги:низька вартість, досить надійні та точні.
• Недоліки:ширший діапазон, ніж у ультразвукових датчиків.

- Лазер

Лазери використовуються, коли потрібна висока точність, або велика відстань до об'єкта, або коли є обидва фактори. Скануючі лазерні далекоміри використовують спін-лазери (ультрабисті лазери) для двовимірного сканування відстані до об'єктів.

• Переваги:дуже точні з дуже великим діапазоном.
• Недоліки:набагато дорожче, ніж звичайні інфрачервоні чи ультразвукові датчики.

- Енкодери

Оптичні енкодери часто використовують пару фотодіод. На валу встановлений диск з отворами, якими сигнал зі світлодіода потрапляє на фотодіод і зчитується кількість імпульсів.

Певна кількість отворів відповідає повному куту, пройденому колесом. Знаючи радіус колеса, можна визначити загальну відстань, пройдене цим колесом. Два енкодери дають вам відносну відстань у двох вимірах.

• Переваги:якщо немає ковзання, то висока точність виміру. Часто встановлюється задній вал двигуна.
• Недоліки:потрібно додаткове програмування, більш точні оптичні енкодери можуть дорого коштувати.

- Лінійний потенціометр

Лінійний потенціометр здатний виміряти абсолютне положення об'єкта.

• Переваги:точно вимірює абсолютне становище.
• Недоліки:Невеликий діапазон.

— Датчики розтягування та вигину

Датчик розтягування складається з матеріалу, опір якого змінюється в залежності від того, як він розтягнутий. Датчик вигину зазвичай є сендвіч з матеріалів, де опір одного з шарів змінюється в залежності від того, наскільки він був зігнутий.

Їх можна використовувати для визначення невеликого кута чи повороту, наприклад, скільки пальців було зігнуто.

• Переваги:корисно, коли вісь обертання є внутрішньою чи недоступною.
• Недоліки:невелика точність та можливість вимірювання лише малих кутів.

- Стереокамера

Як і людські очі, дві камери, розташовані на відстані одна від одної, можуть надавати інформацію про глибину (стереобачення). Роботи, оснащені камерами, можуть бути одними з найздатніших і найскладніших роботів.

Камера, у поєднанні з правильним програмним забезпеченням, може забезпечити гарне розпізнавання кольорів та об'єктів.

Переваги: ​​можливість надання детальної інформації та хороший зворотний зв'язок.

Недоліки: складність у програмуванні та використанні інформації.

Датчики позиціонування

- Локалізація у приміщенні (навігація в кімнаті)

Внутрішня система локалізації може використовувати кілька маяків для тріангуляції (визначення взаємного розташування точок на поверхні) положення робота в приміщенні, тоді як інші використовують камеру та орієнтири.

• Переваги:відмінно підходить для абсолютного позиціонування
• Недоліки:потрібне складне програмування та використання маркерів.

- GPS

GPS використовує сигнали від кількох супутників, що обертаються навколо планети, щоб визначити їх географічні координати.

Пристрої GPS можуть забезпечити географічне позиціонування з точністю до 5 метрів, тоді як складніші системи, що включають обробку даних і виправлення помилок, завдяки використанню інших одиниць GPS або ІДУ можуть мати точність до декількох сантиметрів.

• Переваги:не вимагає маркерів чи інших посилань.
• Недоліки:можуть працювати лише на відкритому просторі.

Датчики обертання

- Потенціометр

Поворотний потенціометр – це, по суті, дільник напруги та забезпечує аналогову напругу, що відповідає куту повороту ручки.

• Переваги:простий у використанні, недорогий, досить точний, забезпечує абсолютні свідчення.
• Недоліки:більшість їх обмежені 300 градусами обертання.

- Гіроскоп

Електронний гіроскоп вимірює швидкість кутового прискорення та подає відповідний сигнал (аналоговий сигнал напруги, послідовний канал зв'язку, з I2C тощо). В електронному гіроскопі використовуються п'єзопластини.

• Переваги:відсутність "механічних" компонентів.
• Недоліки:датчик завжди піддається кутовому прискоренню, тоді як мікроконтролер не завжди може набувати безперервного вхідного сигналу, тобто значення губляться, що призводить до ”дрейфу” значень

- Енкодери

Оптичні енкодери використовують міні - інфрачервоні пари передавача/приймача. Кількість розривів інфрачервоного пучка відповідає повному куту, пройденому колесом.

Механічний енкодер використовує дуже тонко оброблений диск із достатньою кількістю отворів, щоб читати певні кути. Тому механічні датчики можуть використовуватися як абсолютного, так відносного обертання.

• Переваги:точність.
• Недоліки:у оптичних енкодерів кут повороту є відносним (не абсолютним) від вихідного положення.

Датчики роботів, що реагують на умови довкілля

- Датчик світла

Датчик світла може використовуватися для вимірювання інтенсивності джерела світла, природним або штучним. Зазвичай його опір пропорційний інтенсивності світла.

• Переваги:зазвичай дуже недорогі та дуже корисні.
• Недоліки:не можуть розрізняти джерело чи тип світла.

- Датчик звуку

Датчик звуку - це, по суті, мікрофон, який повертає напругу, пропорційну рівню навколишнього шуму. Більш складні плати можуть використовувати дані мікрофона для розпізнавання мови.

• Переваги:дешевий та надійний датчик.
• Недоліки:Для того, щоб розшифрувати важливу інформацію, потрібно складне програмне забезпечення.

- Температурні датчики

Температурні датчики можуть використовуватися для вимірювання температури навколишнього середовища або в складних умовах, наприклад нагрівальних елементах, печах і т.д.

• Переваги:можуть бути високоточними.
• Недоліки:більш складні та точні датчики можуть бути більш складними у використанні.

- Тепловізійна камера

Тепловізійний датчик (камера) інфрачервоного або теплового зображення дозволяє отримати повне 2D-теплове зображення всього, що знаходиться перед камерою тепловізора. Таким чином можна визначити температуру об'єкта.

• Переваги:можна вибірково на відстані вимірювати теплову активність об'єктів.
• Недоліки:висока вартість

- Датчики вимірювання вологості

Датчики вологості визначають відсотковий вміст води у повітрі та часто з'єднуються з датчиками температури.

- Барометричний датчик тиску

Датчик тиску (який може бути барометричним датчиком) може використовуватися для вимірювання атмосферного тиску. Отже, може дати уявлення про висоту БПЛА (безпілотний літальний апарат).

- Датчики газу

Датчики газу використовуються для визначення наявності та концентрації різних газів. Однак вони потрібні лише спеціалізованим робототехнічним комплексам.

• Переваги:це єдині датчики роботів, які можуть бути використані для точного виявлення газу
• Недоліки:недорогі датчики можуть давати помилкові спрацьовування або дещо неточні і тому не повинні використовуватись для критично важливих завдань.

- Магнітометри

Магнітометри можуть бути використані для виявлення магнітів та магнітних полів. Також може визначити полярність.

• Переваги:допомагає виявити феромагнітні метали.
• Недоліки:в деяких випадках датчики можуть бути пошкоджені потужними магнітами.

Датчики, що використовують обертання

- Компас

Цифровий компас здатний використовувати магнітне поле Землі визначення його орієнтації щодо магнітних полюсів. Нахил компаса компенсується і враховує той факт, що робот не може пересуватися горизонтально.

• Переваги:забезпечує абсолютну навігацію.
• Недоліки:Вища точність підвищує ціну.

- Гіроскоп

Електронні гіроскопи здатні визначати кут нахилу однією або кількома осями. Механічні датчики нахилу зазвичай визначають нахил робота за допомогою ртуті в скляних капсулах або кулях.

• Переваги:електронні гіроскопи мають більш високу точність, ніж механічні.
• Недоліки:Вища вартість.

- Акселерометри

Акселерометри вимірюють лінійне прискорення. Це дозволяє вимірювати гравітаційне прискорення або інше прискорення, яке відчуває робот.

Це може бути хорошим варіантом для приблизної оцінки відстані, якщо ваш робот не може використовувати довкілля для уточнення координат.

Акселерометри можуть вимірювати прискорення вздовж однієї, двох чи трьох осей. Триосьовий акселерометр дозволяє вимірювати всі кути нахилу сенсора у просторі.

• Переваги:вони не вимагають жодних зовнішніх посилань або маркерів для функціонування, і можуть забезпечити абсолютну орієнтацію по відношенню до гравітаційного поля Землі або визначити відносну орієнтацію.
• Недоліки:вони лише приблизно оцінюють пройдену відстань і що неспроможні точно визначити його.

- ІІБ

Інерційний вимірювальний блок поєднує в собі мультиосьовий акселерометр з мультиосьовим гіроскопом і іноді мультиосьовим магнітометром для того, щоб більш точно виміряти крен. Такі датчики роботів досить складні.

• Переваги:це дуже надійний спосіб виміру без використання зовнішніх посилань (крім магнітного поля Землі)
• Недоліки:може бути дуже дорогим та складним у використанні.

Та інші

Датчики струму та напруги вимірюють струм та/або напругу конкретного електричного ланцюга. Це може бути дуже корисно для визначення того, скільки ваш робот зможе працювати (вимірювати напругу акумуляторної батареї) або якщо ваші мотори занадто сильно працює (вимірювання струму).

• Переваги:вони роблять саме те, що вони призначені.
• Недоліки:можуть вносити зміни до вимірюваної напруги або струму. Іноді потрібно змінити вимірюваний електричний ланцюг.

- Магнітні датчики

Магнітні датчики та магнітометри здатні виявити магнітні предмети та можуть вимагати контакту з об'єктом, або повинні бути розташовані відносно близько до об'єкта.

Такі датчики роботів можуть використовуватися на автономній газонокосарці для виявлення проводу, прокладеного газоном або для пошуку прихованої проводки в квартирі.

• Переваги:як правило, недорогі
• Недоліки:як правило, повинні розташовуватись відносно близько до об'єкта, і на жаль, не можуть виявляти немагнітні метали.

- Датчики вібрації

Датчики вібрації призначені виявлення вібрації об'єкта з допомогою п'єзоелектричних чи інших технологій.

- Технології RFID

Технологія RFID – це технологія бездротового обміну даними за допомогою радіосигналу між електронною міткою, яка розміщується на об'єкті та спеціальним радіоелектронним пристроєм, який зчитує сигнал мітки.

Пристрої радіочастотної ідентифікації можуть використовувати як активні (з харчуванням), так і пасивні (без живлення) RFID-мітки, що зазвичай мають розмір і форму кредитної картки, невеликий плоский диск або доповнення до брелока (інші форми також можливі).

Коли мітка RFID знаходиться на певній відстані від RFID зчитувача, створюється сигнал з ідентифікатором тега.

• Переваги: RFID мітки зазвичай мають дуже низьку вартість і можуть визначатися індивідуально.
• Недоліки:марно для вимірювання відстані, крім випадків, коли мітка знаходиться в межах діапазону.

Практична частина

Типовим прикладом, який демонструє автономну роботу робота, є робот на базі набору Lego EV3 для руху по лінії за допомогою одного або двох датчиків кольору. У цьому випадку датчики робота визначають яскравість відбитого світла.