Mobilny robot edukacyjny KMURAW-3 −
− rozwiązania techniczne sprzętu
i oprogramowania
Krzysztof MURAWSKI, Jan CHUDZIKIEWICZ, Józef TURCZYN
Instytut Teleinformatyki i Automatyki WAT ul. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa
STRESZCZENIE: W artykule przedstawiono rozwiązania techniczne sprzętu i oprogramowania mające zastosowanie w konstrukcji mikrokomputerowych sterowników robotów, głównie robotów mobilnych. Prezentację rozwiązań dokonano na bazie mikrokomputerowego sterownika robota mobilnego opracowanego w Instytucie Teleinformatyki i Automatyki, Wydziału Cybernetyki WAT. Przegląd rozwiązań technicznych uzupełniono przedstawieniem zasad ich działania oraz prezentacją procedur z nimi współpracujących.
1. Wprowadzenie
Roboty, w tym i roboty mobilne, są coraz częściej obecne w życiu codziennym. Mają one różne przeznaczenie i budowę. Funkcja robota zasadniczo wpływa na jego konstrukcję mechaniczną, ale zwykle wprowadza znikome zmiany w części sprzętowej układu sterowania. Z tego względu wiedza dotycząca zasad projektowania elektronicznych układów sterowania i ich oprogramowania ma charakter uniwersalny. W artykule omówiono rozwiązania sprzętowe i programowe, zastosowane przy konstrukcji mikrokomputerowego systemu sterowania dla taniego robota mobilnego. Opracowany system stał się bazą do budowy platformy sprzętowej mobilnego robota edukacyjnego. Rozwiązania tam zawarte z powodzeniem stosowane są w rozwiązaniach profesjonalnych. Mogą być też inspiracją do tworzenia innych, nierzadko bardziej wyrafinowanych, konstrukcji sprzętowych. Opis wykonanego
sterownika oraz wytworzonego oprogramowania poprzedzono omówieniem zasad funkcjonowania wykorzystanych układów i elementów elektronicznych.
2. Sensory, układ sterowania napędem robota mobilnego
Sensorami [8] nazywa się te elementy, które dostarczają dane o stanie robota oraz o jego otoczeniu. W opracowanym systemie informacje te pozyskiwane są przez: czytniki kodów kreskowych, transoptory czołowe, odbiorniki sygnałów sterujących, układy pomiaru odległości działające w paśmie podczerwieni. Ich zastosowanie w mikrokomputerowym systemie sterowania umożliwia realizację następujących funkcji robota:
a) czytniki kodów kreskowych – śledzenie trasy robota mobilnego, odczyt informacji sterujących z podłoża;
b) transoptory czołowe – pośredni pomiar odległości, przybliżony pomiar kąta skrętu robota mobilnego;
c) odbiornik sygnałów sterujących – odbiór komend od operatora oraz sygnatur markerów nadawanych w paśmie podczerwieni;
d) układy pomiaru odległości – dostarczanie informacji o otoczeniu robota – odległości do otaczających go obiektów.
Wyżej wymienione funkcje uzupełniono o możliwość dwukierunkowego, niezależnego sterowania czterema silnikami prądu stałego z cyfrową regulacją prędkości obrotów.
Funkcja śledzenia trasy bazuje na informacji pozyskiwanej z czterech
sensorów HBCS-1100. Są to elementy nadawczo – odbiorcze, zintegrowane z układem soczewek, zdolne do emisji i detekcji promieniowania o długości 700nm. W swojej strukturze, rys. 1a, oprócz diod nadawczej i odbiorczej zawierają także tranzystor. Zadaniem tranzystora jest wzmocnienie prądu wyjściowego fotoodbiornika.
Podłączenie sensora HBCS-1100 do systemu mikrokomputerowego przedstawia rysunek 2. Rezystory R2 i R3 oraz tranzystor umieszczony wewnątrz elementu HBCS-1100 tworzą wzmacniacz transimpendancyjny. Układ ten przeciwdziała nasycaniu się diody odbiorczej. Skutkuje to szybkim czasem reakcji fotoelementu w szerokim zakresie częstotliwości [4]. Własność ta jest szczególnie pożądana podczas odczytu kodów sterujących, w których odstępy między paskami kodu są niewielkie, rzędu 0.5mm. Wzmocniony sygnał wyjściowy fotodetektora doprowadzono do wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego LM324. Wzmacniacz LM324 pracuje w układzie
w zależności od poziomu napięcia na wejściu odwracającym pojawiają się sygnały binarne: „0” – GND, „1” – VCC, gdzie zero logiczne oznacza wykrycie czarnej linii. Stan ten sygnalizowany jest zapaleniem diody D1 zasilanej przez rezystor R5.
Rys. 1. Struktura elementu HBCS-1100: widok z góry (a), przekrój (b), [1].
Rys. 2. Podłączenie sensora HBSC-1100 do systemu mikrokomputerowego
Śledzenie trasy zadanej przez operatora polega na takim sterowaniu robotem, by narysowana na podłożu linia znajdowała się pod sensorami ustawionymi w jego osi wzdłużnej. Czujniki, zamocowane w osi poprzecznej, wyznaczają wówczas prognozę skrętów. Pozwala ona, w przypadku zboczenia z trasy, ustalić nowy kierunek ruchu i sprowadzić robot na pożądaną trajektorię. Wspomniane czujniki wykorzystuje się także podczas odczytu poleceń
sterujących. Są one zakodowane w postaci kodów kreskowych. Analiza kodu
kreskowego polega na zliczaniu czasów trwania, wyznaczanych przez sensor, zer i jedynek. Powstały w ten sposób identyfikator polecenia porównuje się
27.5mm λ= 68 75h φ 10 φ 5 l= mm 4 8h φ T
z sygnaturami komend sterujących. Poprawnie odczytana komenda zmienia sekwencję sterującą. Sygnatura błędna zostaje odrzucona, nie zmienia realizacji dotychczasowego algorytmu sterowania.
Pomiar przebytej drogi oraz pomiar kąta skrętu robota realizowany jest
na podstawie impulsów generowanych przez transoptory czołowe OBP745 (element T na rys. 3). Są one umieszczone przy dwóch przednich kołach. Impulsy te generowane są w wyniku obrotu kół napędowych, rysunek 3. W systemie zrealizowano pośredni pomiar długości przebytej drogi. Polega on na wymnożeniu liczby zliczonych impulsów przez długość łuku
λ
.Rys. 3. Widok koła napędowego wraz z umiejscowieniem transoptora T
Dokładność pomiaru drogi zależy od liczby otworów i ich położenia na obwodzie koła. W przyjętej realizacji dokładność ta wynosi około 30mm. Jest ona wystarczająca do zgrubnego pomiaru drogi. Możliwy jest alternatywny pomiar przebytej drogi. Pomiar ten, w zakresie od 10cm do 80cm, wykorzystuje specjalizowane sensory do pomiaru odległości, pracujące w paśmie podczerwieni. Układy te omówiono w dalszej części artykułu.
Detekcję obrotu kół napędzających robot realizuje układ pokazany na rysunku 4. W układzie tym element identyfikowany, przesłona w kole napędowym, zamyka sprzężenie między fototranzystorem T1 i diodą D1. Prąd fototranzystora i diody ustalono rezystorami, odpowiednio R1 i R2. Ich wartości dobrano tak, aby wykrycie przesłony spowodowało przesunięcie punktu pracy tranzystora T1 z obszaru odcięcia do obszaru nasycenia. Taki dobór wartości rezystorów R1 i R2 zapewnia uzyskanie na wyjściu układu poziomów logicznych zgodnych ze standardem TTL, przy czym „zero logiczne” oznacza wykrycie przesłony, „jedynka logiczna” jej brak. Do odbioru komend oraz znaczników markerów nadawanych w paśmie podczerwieni wykorzystano sygnał z odbiornika SFH 5110-36, rysunek 5.
Do mikrokomputera VCC VCC R2 470 Q1 Fototranzystor D1 IRED R1 10k Transoptor czołowy Element identyfikowany T1
Rys. 4. Układ wykorzystywany do pomiaru długości drogi i kąta skrętu robota
a) b)
Rys. 5. Odbiornik SFH 5110-36: a) widok, b) budowa wewnętrzna [9]
Odbiornik ten reaguje na światło o długości fali 940nm, modulowane częstotliwością 36kHz. Ciąg impulsów o tej częstotliwości oświetla diodę PIN, która pełni funkcję fotodetektora. Sygnał wyjściowy fotodetektora podlega wzmocnieniu, filtracji, a następnie demodulacji. Uzyskany po demodulacji sygnał małej częstotliwości steruje prądem bazy tranzystora wyjściowego pracującego w układzie wspólnego emitera. Układ taki odwraca fazę sygnału wejściowego. Stąd „zero logiczne” na wyjściu elementu (OUT) oznacza, że odbiornik jest oświetlany falą prostokątną o zadanej częstotliwości, „jedynka logiczna” oznacza jej brak.
Transmisję sygnałów sterujących i identyfikatorów markerów zrealizowano w standardzie RC5, opracowanym przez firmę Philips do transmisji danych w podczerwieni. Główne założenia tego standardu podano w [12].
Pomiar odległości od robota do obiektów terenowych realizują specjalizowane elementy do pomiaru odległości – DIRRS+, rys. 6. DIRRS+ składa się z dwóch modułów. Pierwszy, GP2D12 firmy Sharp, dokonuje pomiaru odległości w paśmie podczerwieni. Wynikiem pomiaru jest napięcie o wartości zależnej od odległości do przedmiotu. Wartość
uzyskiwanych napięć mieści się w zakresie od 0V dla 80cm do 2.6V dla 10cm. Drugi przetwarza wartość analogową napięcia na postać cyfrową (0V – 0x00; 2.6V – 0xFF) oraz zapewnia cyfrową komunikację z systemem nadrzędnym. Szczegółowe informacje na temat działania DIRRS+ oraz zasad komunikacji i transmisji danych do systemu nadrzędnego można znaleźć w [5]. Czujnik ten użyto również do realizacji pośredniego pomiaru długości drogi przebytej przez robota. Długość przebytej drogi wyznacza się z różnicy między dwoma kolejnymi wynikami pomiarów odległości od przeszkody, z których jeden przyjmuje się za bazowy. Pewnym ograniczeniem w stosowaniu tej metody jest potrzeba występowania obiektu terenowego w polu widzenia sensora.
a) b)
Rys. 6. DIRRS+: a) widok, b) zasada działania [5]
Układ napędowy robota edukacyjnego tworzą cztery silniki prądu stałego zintegrowane z przekładnią zębatą o przełożeniu 392:1. Silniki te są niezależnie sterowane w układzie mostkowym (ang. full bridge).
Schemat poglądowy układu mostkowego oraz jego zasadę działania przedstawia rysunek 7. Poziomy napięć na końcówkach W1 i W2 sterują parami tranzystorów T2, T3 i T1, T4. Tranzystory te zmieniają drogę przepływu prądu, rys. 8a i b. Skutkuje to zmianą kierunku obrotów silnika, tak jak to pokazano w poniższej tablicy.
W1 W2 Stan sterowania silnikiem 0 0 Silniki stop
0 1 Obrót osi silnika w prawo 1 1 Stan zabroniony 1 0 Obrót osi silnika w lewo
Rys. 8. Układ mostkowy sterowania silnikiem: zasilanie silnika przy obrotach prawych (a),
zasilanie silnika przy obrotach lewych (b).
Prąd zasilania uzwojenia silnika kluczowany jest tranzystorem T5. Współczynnik wypełnienia impulsu załączającego tranzystor T5 wpływa na prędkość obrotową wirnika, co wykorzystano do realizacji cyfrowej regulacji prędkości poruszania się robota. Wadą układu z rysunku 8a jest możliwość wystąpienia niepożądanego stanu zwarcia napięcia zasilania. Stan ten pojawia się, gdy obie końcówki W1, W2 sterowane są poziomem wysokim (napięcie wyższe niż 2.4V), wówczas przewodzą tranzystory T1÷T4.
W rozwiązaniu docelowym zastosowano scalone, mostkowe układy sterowania silników typu L293D, rys. 9a, które pozbawione są wspomnianej wady. Zapewniają one niezależne sterowanie czterema silnikami prądu stałego. Wejścia INx wyznaczają kierunek obrotów osi silnika. Wejście ENx wykorzystano do realizacji cyfrowej regulacji prędkości obrotów. Opis układu L293D oraz jego noty aplikacyjne są zawarte w [13], [14].
a) b)
Rys. 9. L293D: a) schemat wewnętrzny, b) podłączenie jednego z silników, [13]
3. Architektura, oprogramowanie systemu sterowania
System sterowania robotem zbudowano na bazie mikrokontrolerów AT89c55WD i AT89c4051, taktowanych częstotliwością 24MHz. Mikrokontrolery te komunikują się przez magistralę szeregową RS232 z prędkością 1200b/s. Wspólnie realizują one algorytm sterowania robotem. Między wspomniane mikrokontrolery rozdzielono funkcje obsługi urządzeń zewnętrznych. Pierwszy odbiera i interpretuje dane z odbiornika podczerwieni, zbiera informacje z czytników kodów kreskowych i czujników położenia kół napędowych, steruje diodami LED i silnikami oraz zapewnia komunikację z użytkownikiem. Mikrokontroler AT89c4051 inicjuje pracę ośmiu mikrokontrolerów PIC12F675. Emulując osiem magistral szeregowych SPI, odbiera od nich dane pochodzące z sensorów do pomiaru odległości, a także kontroluje pracę pozostałych diod sygnalizacyjnych i IRED. Pełni także funkcję nadajnika kodu RC5. Schemat blokowy omawianego systemu wraz z kierunkami przesyłania informacji pokazano na rysunku 10. Testowy algorytm
sterowania elementami robota zaimplementowano w języku C oraz w asemblerze mikrokomputerów rodziny MCS’51. Ogół
realizowanych zadań poddano dekompozycji. Na jej podstawie wytworzono moduły programowe realizujące poszczególne funkcje sterowania: Main1; Main2; Lcd; Podczerwien; Hardware; Pwm; Serial; PomDrogi; PomOdleg; Diody; Nadajnik; Wait i inne.
Poniżej przedstawiono wybrane elementy modułów sterowania robotem mobilnym: głównego (Main1); inicjującego i sterowania silnikami (Hardware); wyświetlacza LCD (Lcd); odbiornika danych podczerwieni (Podczerwien) oraz
Us Us Us Us IN1 IN2 IN4 IN3 EN2 EN1 OUT1 OUT3 OUT4 OUT2 M OUT1 IN1 Us OUT2 EN1 IN2 Us L1 L2 C1
Rys. 10. Schemat blokowy systemu mikrokomputerowego
Celem prezentacji jest oddanie idei towarzyszącej wytwarzaniu oprogramowania czasu rzeczywistego dla sterownika robota mobilnego. Napisane oprogramowanie zapewnia obsługę zdarzeń sygnalizowanych przez przerwania sprzętowe oraz przez komunikaty, znane ze środowiska Windows. Przerwania sprzętowe w systemie sterowania sygnalizują zdarzenia krytyczne. Zapewnia to ich niezwłoczną obsługę, bez względu na rodzaj zadania aktualnie realizowanego. Wywołanie pozostałych funkcji systemu, o niższych priorytetach, wymuszane jest przez wysyłanie komunikatów. Zadania te wykonywane są po zakończeniu czynności aktualnie realizowanych. Krytyczne funkcje systemu to: komunikacja międzyprocesorowa, odbiór komend sterujących i sygnatur z odbiornika podczerwieni, analiza otoczenia robota, pomiar drogi. Pozostałe funkcje sytemu, o niższym priorytecie, to np.: obsługa wyświetlacza LCD i buzera, sterowanie diodami LED i IRED, a także nadawanie danych w kodzie RC5.
Powiązanie modułów programowych realizowanych przez mikrokomputer AT89c55WD oraz przepływ sterowania między nimi przedstawia rysunek 11. Grubsze linie oznaczają przekazywanie sterowania będące wynikiem wystąpienia przerwań sprzętowych. Pozostałe linie obrazują przepływ sterowania spowodowany wywoływaniem procedur lub obsługą komunikatów. AT89C55WD AT89C4051 PIC PIC PIC PIC PIC PIC PIC PIC LCD SFH5110 HBCS1100 OPB745 BUZER LED IRED L293D L293D M M M M LED
Main1 Podczerwien Wait Hardware Wait Lcd Wait PomDrogi Serial Pwm Start
Rys. 11. Diagram przepływu sterowania dla mikrokontrolera AT89c55WD
Przedstawimy przykładowo przebieg sterowania wywołany odebraniem polecenia przez odbiornik podczerwieni - SFH5110. Podobnie przebiegać będzie realizacja algorytmu po odebraniu polecenia np. za pomocą magistrali szeregowej łączącej mikrokomputery AT89c55WD i AT89c4051. Połączony kod modułów głównych Main1 i Main2 wypracowuje decyzje sterujące robotem. Kod modułu Main1 jest następujący:
#include <main.h>
void main(void) { // kod modułu main1 Start(); // Procedura startowa while (True) // Wykonuj non stop {
SensorValue = GetSensorValue(); // Pobierz wartości z sensorów FlashLed(); // Pokaż na diodach stan robota
Decyzja(SensorValue); // Algorytm sterowana ruchem // robota
}
}
Jego działanie może zostać przerwane jedynie przez zdarzenia krytyczne np. odbiór komendy nadanej w paśmie podczerwieni. Takie zdarzenie przenosi
sterowania realizowaną przez Main2. Zapewnia to współbieżne wykonywanie algorytmu sterowania robotem. Kod modułu Podczerwien jest następujący: void GetIrData(void)
{
EX0 = False; // 0.5uS IE0 = False; // 0.5uS
w442(); // Czekaj 442uS
Start1 = irData; // Czytaj 1 bit startu - zawsze zero w1777(); // Czekaj 1.777mS
Start2 = irData; // Czytaj 2 bit startu - zawsze zero w1777(); // Czekaj 1.777mS
KeyRepeated = irData; // Czytaj bit powt. wciśnięcia przycisku w1777(); // Czekaj 1.777mS
Address_4 = irData; // Czytaj 4 - najstarszy bit adresu ……
……
Address_0 = irData; // Czytaj 0 - najmłodszy bit adresu w1777(); // Czekaj 1.777mS
Command_5 = irData; // Czytaj 5 - MSB bit komendy ……
…… ……
Command_0 = irData; // Czytaj 0 - LSB bit adresu BitStartu1 = ~Start1; // Zaneguj wartość 1 bitu startu BitStartu2 = ~Start2; // Zaneguj wartość 2 bitu startu
KeyBit = ~KeyRepeated; // Zaneguj bit kontroli powt. przycisku irAddress = ~irAddress & 0x1F; // Zaneguj irAddress, zgaś 3 najst.
// bity
irCommand = ~irCommand & 0x3F; // Zaneg i zgaś 2 najst. bity if (BitStartu1 == True) && (BitStartu2 == True) && (KeyBit!==LastKeyBit)) { // Ramka poprawna …… …… …… }
EX0 = True; // Włącz powtórną obsługę przerwania od // czytnika podczerwieni (/INT1)
}
Moduł ten odbiera i składa komendę oraz sprawdza jej format. Gdy format rozkazu jest niepoprawny sterowanie oddawane jest do modułu głównego,
w przeciwnym wypadku polecenie podlega realizacji. Realizacja komendy dokonuje się w procedurze WykonajKomende() wywołującej procedury zaimplementowane w modułach: Hardware, Lcd, Serial. Fragment kodu programu realizującego obsługę poleceń sterujących jest następujący:
void WykonajKomende() {
if ((Urzadzenie == CarID) && (IrKomenda < MaxValue) && (IrKomenda != 0x00))
{
LcdWyswKomende(Kom[IrKomenda]);
if (IrKomenda == Przod) { ProstoPrzod(); Nadaj(KierN); } if (IrKomenda == PrawoPrzod) { SkretPrawoPrzod(); Nadaj(KierE); } ……… ……… if (IrKomenda == Stop) { SilnikiStop(); Nadaj(KierS); } if (IrKomenda == Zwolnij) { SetPredkosc(False); }
if (IrKomenda == Przyspiesz) { SetPredkosc(True); } Urzadzenie = UnKnown; // Deaktywuj adresata }
}
W procedurze tej zauważyć można odwołania do następujących urządzeń: wyświetlacza LCD - LcdWyswKomende(Kom[IrKomenda]); układu sterowania napędem - ProstoPrzod() oraz modułu komunikacji międzyprocesorowej - Nadaj(KierN). Zakończenie realizacji procedur wyznaczonych przez odebrane polecenie zwraca sterowanie do modułu głównego, co pozwala na kontynuację algorytmu sterowania robotem.
4. Wnioski końcowe
Wytworzone rozwiązanie sprzętowe wraz z tworzonym systemem czasu rzeczywistego pozwalają implementować, badać i rozwijać algorytmy sterowania robotem mobilnym. Możliwe jest również wzbogacenie jego możliwości przez dołączenie np. radiowego toru komunikacji, kamery wideo czy też układu rozpoznawania i syntezy dźwięku.
Wykorzystanie mechanizmu komunikatów i przerwań sprzętowych umożliwiło realizację prostego i pewnego systemu czasu rzeczywistego.
Mobilny robot edukacyjny KMURAW-3 (rys. 12), wytworzony na bazie skonstruowanego mikrokomputerowego systemu sterowania (rys. 13a, b), może stanowić tanią, wartościową, a jednocześnie atrakcyjną i nowoczesną bazę dydaktyczną wspomagającą proces nauczania wielu przedmiotów: specjalizowanych układów i podzespołów, podstaw techniki komputerowej, układów elektronicznych komputerów, podstaw programowania i innych.
Rys. 12. Mobilny robot edukacyjny KMURAW – 3
a) b)
Rys. 13. Widok 3D skonstruowanego mikrokomputerowego systemu sterowania: widok płytki PBW 850/2003_PCB1 (a), widok płytki PBW 850/2003_PCB2 (b)
Prezentowany mikrokomputerowy system sterowania, tak jak i robot edukacyjny KMURAW-3, jest wynikiem grantu dziekańskiego PBW 850/2003, zrealizowanego w Instytucie Teleinformatyki i Automatyki, Wydziału Cybernetyki WAT.
Literatura
[1] Agilent Technologies: High Resolution Optical Reflective Sensor, Technical Data, Agilent Technologies, 1999.
[2] Atmel, Inc: AT89c4051, 8-Bit Microcontroler with 4 Kbytes Flash, Atmel, 2001. [3] Atmel, Inc: AT89c55WD, 8-Bit Microcontroler with 20 Kbytes Flash, Atmel, 2002. [4] Bielecki Z., Rogalski A.: Detekcja sygnałów optycznych, WNT, Warszawa 2001. [5] HVW Technologies, Inc.: Digital Infra-Red Ranging System Plus, HVWTech, 2004. [6] Intel, Inc: MCS 51 Microcontroller Family User's Manual, Intel, 1994.
[7] Kwiatkowski W.: Podstawy teorii sterowania - wybrane zagadnienia, Instytut Automatyki i Robotyki WAT, Warszawa, 2002.
[8] Morecki A., Knapczyk J. (red.): Podstawy robotyki, teoria i elementy manipulatorów i robotów, WNT, Warszawa, 1999.
[9] Opto Semisonductor: IR-Receiver for Remote Control Systems, OSRAM, 2000. [10] Philips Semiconductors: 80c51 family hardware description, Philips, 1997.
[11] Philips Semiconductors: 80c51 family programmer's guide and instruction set, Philips, 1997.
[12] Philips Semiconductors: Phillips RC5 infrared remote protocol page, 2004. [13] Unitrode Integrated Circuits: L293, L293D – Push-Pull Four Channel Driver, 2004 [14] STMicroelectronics: L293D, L293DD - Push-Pull Four Channel Driver With Diodes,
2003.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Roman Kulesza Praca wpłynęła do redakcji 10.11.2004
